KR102239939B1 - Plasma Apparatus - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 이 플라즈마 장치는 유전체 방전 튜브; 가스를 공급받아 상기 유전체 방전 튜브 내에 스월(swirl) 유동을 제공하는 스월 발생부; 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부; 을 포함한다.The present invention provides a plasma generating apparatus. This plasma device comprises: a dielectric discharge tube; A swirl generator for receiving gas and providing a swirl flow in the dielectric discharge tube; An induction coil disposed to surround the dielectric discharge tube to generate an induced electric field to generate plasma; And an AC power supply for supplying power to the induction coil. Includes.

Description

플라즈마 장치 {Plasma Apparatus} Plasma Apparatus {Plasma Apparatus}

본 발명은 플라즈마 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 대기압 또는 대기압 이상에서 방전을 수행하는 유도 결합 플라즈마 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma device, and more particularly, to an inductively coupled plasma device that performs discharge at atmospheric pressure or above atmospheric pressure.

대기를 구성하는 여러 기체들 가운데 온실효과를 일으키는 기체를 온실가스라 한다. 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)는 가장 주요한 지구 온난화 가스로서 지구 온난화 문제의 중요한 의제이다. CH4와 CO2의 전환반응(CH4 + CO2 -> 2 H2 + 2 CO)에 따른 syngas(synthesis gas)의 합성이 주요한 관심사로 주목받고 있다. 대기압 플라즈마를 이용한 메탄과 이산화탄소의 전환처리는 매우 효과적인 방법이다. 대기압 플라즈마 시스템은 빠른 전환반응과 함께 진공 플라즈마에서 요구되는 별도의 진공장비도 필요치 않으며, 구현화하기 쉽다는 장점을 가진다.Among the gases that make up the atmosphere, a gas that causes a greenhouse effect is called a greenhouse gas. Methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) are the most important global warming gases and are an important agenda for global warming. Synthesis of syngas (synthesis gas) according to the conversion reaction of CH4 and CO2 (CH4 + CO2 -> 2 H2 + 2 CO) is attracting attention as a major concern. The conversion treatment of methane and carbon dioxide using atmospheric plasma is a very effective method. Atmospheric pressure plasma system has the advantage that it is easy to implement and do not require a separate vacuum equipment required for vacuum plasma with a fast conversion reaction.

CH4-CO2 개질(reforming)은 석유 자원의 연속적인 감소 및 온실 가실 감소에 대한 규제 환경에 따라 관심이 집중되고 있다. 플라즈마 기술은 CH4-CO2 개질의 가장 가능성 있는 방식의 하나로 고려 되고 있다. 플라즈마 개질 핵심 기술은 높은 전환 효율(high conversion efficiency)과 높은 공급 가스 유량(high feed-gas flow rate)을 요구한다. 이러한, 목적을 달성하기 위하여, 전자 밀도, 플라즈마 온도, 및 반응기 구조의 주요 요소가 강조된다. 플라즈마 CH4-CO2 개질의 현재 상태를 고려하면, 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency) 및 처리 용량(treatment capacity)을 반응기 구조 및 플라즈마 형태를 최적화 하여 증가시킬 가능성이 있다. CH4-CO2 reforming is drawing attention due to the regulatory environment for continuous reduction of petroleum resources and reduction of greenhouse costs. Plasma technology is considered as one of the most promising ways of reforming CH4-CO2. The core plasma reforming technology requires high conversion efficiency and high feed-gas flow rate. To achieve this, the main factors of the electron density, plasma temperature, and reactor structure are emphasized. Considering the current state of plasma CH4-CO2 reforming, it is possible to increase energy conversion efficiency and treatment capacity by optimizing the reactor structure and plasma type.

석유 자원의 연속적인 감소와 환경 상황에 대한 강조, 및 화학 에너지 전송(chemical energy transmission )에 따라, 합성(synthesis) 가스 생산은 CH4-CO2 reforming (dry reforming이라 함)에 집중되고 있다.With the continuous reduction of petroleum resources and the emphasis on environmental conditions and chemical energy transmission, synthesis gas production is focused on CH4-CO2 reforming (called dry reforming).

CH4 + CO2 ->2 CO + 2H2 ; ΔH= 247kJ/molCH4 + CO2 ->2 CO + 2H2; ΔH= 247kJ/mol

CH4-CO2 개질(reforming)은 메탄의 소비를 감소시키고 이산화탄소를 사용하여 더욱 매력적이다. 동일한 CO를 생산하기 위하여, 스팀 개질 및 부분 산화에 비하여 메탄을 덜 사용하고, CO2는 개질 과정에서 카본 소스로 사용된다. 비록, CH4-CO reforming은 H2/CO 비율을 1/1로 유지하나, H2/CO 비율은 공급되는 가스의 CH4 /CO2 비율을 조절하여 조절될 수 있다.The CH4-CO2 reforming reduces the consumption of methane and makes the use of carbon dioxide more attractive. To produce the same CO, less methane is used compared to steam reforming and partial oxidation, and CO2 is used as a carbon source in the reforming process. Although, CH4-CO reforming maintains the H2/CO ratio at 1/1, the H2/CO ratio can be adjusted by adjusting the CH4/CO2 ratio of the supplied gas.

한국 등록 특허 KR 1255152 및 KR 1166444를 참조하면, 석탄가스화복합발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)에서, 석탄을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 주성분인 합성가스로 전환한 뒤 이 가스를 이용하여 전기를 생산하는 방법이 개시된다. 구체적으로, 합성가스를 생산하기 위하여, 초고주파를 이용하는 플라즈마 가스화기가 소개되고 있다. 그러나, 초고주파 가스화기는 사용되는 초고주파 전력의 한계를 가지고 있어, 대형화되기 어렵다.Referring to the Korean patents KR 1255152 and KR 1166444, in the Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC), coal is converted into synthetic gas containing hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) as the main components, and then this gas is used. Thus, a method of producing electricity is disclosed. Specifically, in order to produce syngas, plasma gasifiers using ultra-high frequencies have been introduced. However, since the ultra-high frequency gasifier has a limit of the ultra-high frequency power used, it is difficult to increase the size.

미국등록특허 US 7622693을 참조하면, 유도 결합 플라즈마를 사용한 합성가스를 생산하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 단층 구조의 유도 코일을 사용한 유도 결합 플라즈마 장치가 개시되나, 단층 구조의 유도 코일은 대기압에서 플라즈마 방전을 수행하기 어렵다. Referring to US Patent No. 7622693, it is disclosed to produce syngas using inductively coupled plasma. However, although an inductively coupled plasma device using an induction coil having a single layer structure is disclosed, it is difficult to perform plasma discharge at atmospheric pressure with an induction coil having a single layer structure.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 안정적으로 대기압 방전이 가능한 대기압 유도 결합 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide an atmospheric pressure inductively coupled plasma device capable of stably discharging atmospheric pressure.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이산화탄소-메탄을 안정적으로 방전하여 합성 가스를 생산할 수 있는 대기압 유도 결합 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved of the present invention is to provide an atmospheric pressure inductively coupled plasma device capable of stably discharging carbon dioxide-methane to produce a synthesis gas.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치는 유전체 방전 튜브; 가스를 공급받아 상기 유전체 방전 튜브 내에 스월(swirl) 유동을 제공하는 스월 발생부; 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부; 을 포함한다.A plasma device according to an embodiment of the present invention includes a dielectric discharge tube; A swirl generator for receiving gas and providing a swirl flow in the dielectric discharge tube; An induction coil disposed to surround the dielectric discharge tube to generate an induced electric field to generate plasma; And an AC power supply for supplying power to the induction coil. Includes.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마는 이산화탄소 및 메탄을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 대기압에서 생성하고, 상기 가스의 유량은 분당 수십 리터 내지 수백 리터일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the plasma is supplied with carbon dioxide and methane to generate syngas containing hydrogen and carbon monoxide at atmospheric pressure, and the flow rate of the gas may range from several tens of liters to several hundreds of liters per minute.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일은 복층 구조의 솔레노이드 형태일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the induction coil may be in the form of a solenoid having a multilayer structure.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치된 하부 솔레노이드 코일; 및 상기 하부 솔레이드 코일을 감싸도록 배치된 상부 솔레노이드 코일을 포함할 수 있다. 상기 하부 솔레노이드 코일과 상기 상부 솔레노이드 코일은 직렬 연결되고, 상기 하부 솔레노이드 코일이 생성하는 자기장의 방향과 상기 상부 솔레노이드 코일이 생성하는 자기장의 방향은 서로 같을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the induction coil includes a lower solenoid coil disposed to surround the dielectric discharge tube; And an upper solenoid coil disposed to surround the lower solenoid coil. The lower solenoid coil and the upper solenoid coil are connected in series, and a direction of a magnetic field generated by the lower solenoid coil and a direction of a magnetic field generated by the upper solenoid coil may be the same.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일은 상기 하부 솔레노이드 코일과 상기 상부 솔레노이드 코일 사이에 배치된 중간 솔레노이드 코일을 더 포함하고, 상기 하부 솔레노이드 코일, 상기 중간 솔레이드 코일, 및 상기 상부 솔레노이드 코일은 직렬 연결되고, 상기 하부 솔레노이드 코일, 상기 중간 솔레이드 코일, 및 상기 상부 솔레노이드 코일가 생성하는 자기장의 방향은 같을 수 있다.In an embodiment of the present invention, the induction coil further includes an intermediate solenoid coil disposed between the lower solenoid coil and the upper solenoid coil, and the lower solenoid coil, the intermediate solenoid coil, and the upper solenoid coil Are connected in series, and the directions of the magnetic fields generated by the lower solenoid coil, the middle solenoid coil, and the upper solenoid coil may be the same.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 교류 전원부의 주파수는 100 kHz 내지 4 MHz일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the frequency of the AC power supply unit may be 100 kHz to 4 MHz.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일은 복수의 다층 구조 유도 코일 모듈을 포함하고, 상기 다층 구조 유도 코일 모듈은 서로 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 다층 구조 유도 코일 모듈이 생성하는 자기장은 서로 보강 간섭할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the induction coil includes a plurality of multi-layered induction coil modules, the multi-layered induction coil modules are electrically connected in parallel with each other, and the magnetic fields generated by the multi-layered induction coil module May interfere with constructive interference.

*본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일은 2층 구조의 솔레노이드 코일 구조이고, 상기 유도 코일은 하층에 4 턴 및 상층에 4턴을 가질 수 있다.* In one embodiment of the present invention, the induction coil has a solenoid coil structure of a two-layer structure, and the induction coil may have 4 turns in the lower layer and 4 turns in the upper layer.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스월 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 배치되어 상기 유전체 방전 튜브를 밀봉하고 원통 좌표계에서 방위각 방향의 유체 속도 성분을 제공하여 상기 유전체 방전 튜브의 반경 반경으로 압력차를 제공할 수 있다. 상기 유도 코일에 의하여 생성된 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브의 측벽에 접촉하는 것을 억제할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the swirl generator is disposed at one end of the dielectric discharge tube to seal the dielectric discharge tube and provide a fluid velocity component in an azimuth direction in a cylindrical coordinate system to provide pressure with a radial radius of the dielectric discharge tube. Can serve tea. Plasma generated by the induction coil can be suppressed from contacting the sidewall of the dielectric discharge tube.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스월 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 내벽을 따라 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 외측 노즐; 및 외측 노즐의 내측에 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 내측 노즐을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the swirl generator is formed to have a tangential component periodically on a circumference of a certain radius along the inner wall of the dielectric discharge tube to provide a swirl flow; And an inner nozzle formed to have a tangential component periodically on a circumference of a predetermined radius inside the outer nozzle to provide swirl flow.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 의 길이 방향으로 연장되고 유전체 재질이고, 원통 형상을 가지는 스윌 가이드를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a swirl guide disposed between the inner nozzle and the outer nozzle, extending in a length direction of the dielectric discharge tube, and formed of a dielectric material, and having a cylindrical shape may further be included.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스월 발생부는 원통좌표계에서 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 유전체 방전 튜브의 일단이 결합하고 복수의 외측 노즐을 포함하는 외측 인젝터부; 상기 외측 인젝터부와 결합하여 외측 버퍼 공간을 제공하는 외측 지지부; 상기 외측 지지부와 결합하여 상기 외측 버퍼 공간을 밀폐하는 외측 밀폐부; 상기 외측 밀폐부의 내측에 삽입되고 내측 버퍼 공간을 제공하는 내측 지지부; 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 내측 지지부에 삽입되어 상기 내측 버퍼 공간을 밀폐하고 복수의 내측 노즐을 포함하는 내측 인젝터부를 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐은 상기 외측 버퍼 공간에 연결되고, 상기 내측 노즐은 상기 내측 버퍼 공간에 연결될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the swirl generator provides a flow velocity of an azimuth component in a cylindrical coordinate system, one end of the dielectric discharge tube is coupled, and an outer injector unit including a plurality of outer nozzles; An outer support portion coupled with the outer injector portion to provide an outer buffer space; An outer sealing portion coupled with the outer support portion to seal the outer buffer space; An inner support part inserted into the outer sealing part and providing an inner buffer space; It may include an inner injector unit including a plurality of inner nozzles to provide a flow velocity of a component in an azimuth direction and to be inserted into the inner support unit to seal the inner buffer space. The outer nozzle may be connected to the outer buffer space, and the inner nozzle may be connected to the inner buffer space.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스월 발생부는 상기 내측 인젝터부에 삽입되고 중심에 형성된 관통홀을 통하여 가스를 스월 유동없이 토출하는 중심 인젝터부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the swirl generator may further include a central injector part inserted into the inner injector and discharging gas without swirling through a through hole formed at a center thereof.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the outer nozzle may be formed in a helical shape while rotating in an azimuth direction on a circumference of a certain radius while proceeding in the length direction of the dielectric discharge tube.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the inner nozzle may be formed in a helical shape while rotating in an azimuth direction on a circumference of a certain radius while proceeding in the length direction of the dielectric discharge tube.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 의 길이 방향으로 연장되는 유전체 원통 형상을 가지는 스윌 가이드를 더 포함할 수 있다. 상기 스월 가이드는 상기 내측 지지부와 상기 외측 지지부 사이에 삽입되어 배치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, a swirl guide disposed between the inner nozzle and the outer nozzle and having a cylindrical dielectric shape extending in a length direction of the dielectric discharge tube may further be included. The swirl guide may be inserted and disposed between the inner support and the outer support.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유전체 방전 튜브의 주위에 배치되어 초기 방전을 제공하는 초기 방전 발생부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, an initial discharge generator may be further included that is disposed around the dielectric discharge tube to provide an initial discharge.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 외측면을 따라 배치되는 복수의 초기 방전 전극; 상기 초기 방전 전극에 고전압을 인가하는 고전압 전원;을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the initial discharge generator comprises a plurality of initial discharge electrodes disposed along an outer surface of the dielectric discharge tube; And a high voltage power supply for applying a high voltage to the initial discharge electrode.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자속을 감금하는 자성체로 형성된 자속 감금부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it may further include a magnetic flux confinement unit disposed around the induction coil and formed of a magnetic material that confines the magnetic flux generated by the induction coil.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자속 감금부는 상기 유전체 방전 튜브의 중심축에 대하여 수직한 평면에서 대칭적으로 배치되는 복수의 자성체 블록을 포함할 수 있다. 상기 자성체 블록은 상기 유도 코일의 외측면, 상부면을, 및 하부면을 감싸도록 배치될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the magnetic flux confinement unit may include a plurality of magnetic blocks arranged symmetrically in a plane perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube. The magnetic block may be disposed to surround an outer surface, an upper surface, and a lower surface of the induction coil.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자속 감금부는 상기 유도 코일을 감싸도록 배치된 자성체 블록; 상기 자성체 블록과 접촉하여 상기 자성체 블록의 열을 전달하도록 상기 자성체 블록를 감싸도록 배치된 비자성체로 형성된 열전도판;및 상기 열전도판에 고정되어 상기 열전도판을 냉각하는 냉각 파이프를 포함할 수 있다. 상기 열전도판은 상기 유도 코일에 의하여 발생하는 유도 전류의 흐름을 차단하는 슬릿을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the magnetic flux confinement unit may include a magnetic block disposed to surround the induction coil; A heat conduction plate formed of a nonmagnetic material disposed to surround the magnetic material block so as to transfer heat from the magnetic material block in contact with the magnetic material block; and a cooling pipe fixed to the heat conduction plate to cool the heat conduction plate. The heat conduction plate may include a slit that blocks the flow of an induced current generated by the induction coil.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유전체 방전 튜브의 중심에 배치되어 보조 유전체 튜브를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the dielectric discharge tube may further include an auxiliary dielectric tube disposed at the center of the dielectric discharge tube.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 장치는 대기압 또는 대기압 이상에서 대용량의 가스를 이용하여 이산화탄소-메탄을 수행하여 합성 가스를 생성한다. The inductively coupled plasma apparatus according to an embodiment of the present invention generates syngas by performing carbon dioxide-methane using a large-capacity gas at atmospheric pressure or above atmospheric pressure.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산을 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분해 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 유도 코일의 단면도이다.
도 4c는 도 4a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 유도 코일의 단면도이다.
도 5c는 도 5a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 스월 제공부를 설명하는 절단 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 자속 감금부를 설명하는 단면도이다.
도 8은 도 7의 자속 감금부를 설명하는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.1 is a conceptual diagram for hydrogen production according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a gas cracking system according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a plasma device according to an embodiment of the present invention.
4A is a cut perspective view illustrating an induction coil having a laminated structure according to an embodiment of the present invention.
4B is a cross-sectional view of the induction coil of FIG. 4A.
4C is a circuit diagram illustrating the induction coil of the laminated structure of FIG. 4A.
5A is a cutaway perspective view illustrating an induction coil having a parallel structure according to an embodiment of the present invention.
5B is a cross-sectional view of the induction coil of FIG. 5A.
5C is a circuit diagram illustrating the induction coil of the laminated structure of FIG. 5A.
6 is a cutaway perspective view illustrating a swirl providing unit of a plasma device according to an embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view illustrating a magnetic flux confinement unit of a plasma device according to an embodiment of the present invention.
8 is a perspective view illustrating the magnetic flux confinement portion of FIG. 7.
9 is a diagram illustrating a plasma device according to another embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing an experiment result of a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing an experiment result of a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

유도 결합 플라즈마는 통상적으로 수백 밀리토르(mTorr)의 압력에서 수 MHz의 구동 주파수를 사용하여 형성된다. 그러나, 이러한 유도 결합 플라즈마는 유도 전기장의 세기가 작아 대기압 방전을 수행하기 어렵다. 따라서, 충분한 유도 전기장의 세기가 요구되고 초기 방전을 위한 별도의 수단이 요구된다.Inductively coupled plasma is typically formed using a drive frequency of several MHz at a pressure of several hundred milliTorr (mTorr). However, such an inductively coupled plasma has a small intensity of an induced electric field, making it difficult to perform atmospheric pressure discharge. Therefore, a sufficient intensity of the induced electric field is required and a separate means for initial discharge is required.

유전체 튜브를 감싸는 유도 코일에 RF 전력을 인가하여 유도 결합 플라즈마 방전을 수행하는 경우, 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 튜브를 가열하고, 상기 유전체 튜브는 가열되어 파손된다. 따라서, 고출력의 유도 결합 플라즈마는 구조적 한계가 있다.When inductively coupled plasma discharge is performed by applying RF power to an induction coil surrounding the dielectric tube, the inductively coupled plasma heats the dielectric tube, and the dielectric tube is heated and damaged. Therefore, the high-power inductively coupled plasma has a structural limitation.

상기 유도 결합 플라즈마와 상기 유전체 튜브 사이의 열 전달을 최소화하고, 플라즈마의 안정성을 유지하기 위하여, 선회 유동(swirl)이 제공될 수 있다. 원통 좌표계에서, 상기 선회 유동은 가스 또는 유체에 방위각 방향의 각 운동량(angular momentum)을 제공하여, 반경 방향에 따른 밀도 분포를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 튜브의 중심 영역에 국지적으로 제한된다. 따라서, 상기 유도 결합 플라즈마와 상기 유전체 튜브 사이의 열 전달이 최소화될 수 있다.In order to minimize heat transfer between the inductively coupled plasma and the dielectric tube and maintain the stability of the plasma, a swirling flow may be provided. In a cylindrical coordinate system, the orbiting flow may provide an angular momentum in an azimuth direction to a gas or fluid, thereby providing a density distribution along a radial direction. Accordingly, the inductively coupled plasma is limited locally in the central region of the dielectric tube. Accordingly, heat transfer between the inductively coupled plasma and the dielectric tube can be minimized.

[사용 용도][purpose of use]

이러한 대기압 플라즈마 장치는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 대기압 플라즈마 장치는 나노 입자의 합성(synthesis of nano-powders), 단일벽 카본 튜브(single-walled carbon tubes)의 합성, 플로렌(fullerenes)의 합성, 다이아몬드 필름(diamond film)의 합성, 광학 투명 필름의 합성, 표면 처리, 가스의 분해, 석탄의 가스화, 합성 가스의 생성, 유해가스 처리, 가스의 개질 등에 사용될 수 있다.This atmospheric pressure plasma device can be used for various purposes. For example, the atmospheric plasma device is a synthesis of nano-powders, synthesis of single-walled carbon tubes, synthesis of fullerenes, and diamond film. It can be used for synthesis, synthesis of optically transparent films, surface treatment, decomposition of gas, gasification of coal, generation of synthetic gas, harmful gas treatment, gas reforming, and the like.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 대기압 또는 대기압 이상의 고압에서 플라즈마를 이용하여 합성 가스를 생성하기 위하여, 유도 결합 플라즈마가 플라즈마 개질을 위하여 사용된다. 통상적인 RF 유도 결합 플라즈마는 대기압 방전이 어렵다. 설사 방전이 되는 경우에도, 방전 안정성을 유지하기 어렵다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대기압 및 대기압 이상의 압력에서 플라즈마 방전을 안정적으로 대용량으로 수행할 수 있는 장치 및 방법이 소개된다.According to an embodiment of the present invention, in order to generate a synthesis gas using plasma at atmospheric pressure or high pressure above atmospheric pressure, inductively coupled plasma is used for plasma reforming. Conventional RF inductively coupled plasma is difficult to discharge at atmospheric pressure. Even in the case of discharge, it is difficult to maintain discharge stability. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, an apparatus and method capable of stably performing a plasma discharge at atmospheric pressure and a pressure higher than atmospheric pressure with a large capacity are introduced.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 장치는 0.1 atm 부터 5 atm 에서 글로(glow) 방전을 유지하는 유도결합 (Inductively Coupled) 방식의 플라즈마 소스(plasma source)일 수 있다. 플라즈마를 유지하는 경우, Ar, CO2, CH4, NF3, O2, H2 등의 가스(gas)가 사용될 수 있으며, 분당 수십 ~ 수 백 리터(liter)의 가스가 상기 플라즈마 소스 내부에 공급 및 배기된다.According to an embodiment of the present invention, the plasma device may be an inductively coupled plasma source that maintains a glow discharge at 0.1 atm to 5 atm. In the case of maintaining the plasma, gas such as Ar, CO2, CH4, NF3, O2, H2 may be used, and a gas of several tens to several hundred liters per minute is supplied and exhausted into the plasma source.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은　플라즈마　임피던스 및 가스 유동 불안정을 감소시킨 플라즈마 장치가 제공된다. 분당 수십 내지 수백 리터의 유량을 처리할 수 있는 플라즈마 장치는 유동 역학 및 가스 유동 패턴은 플라즈마의 안정성 및 가스 분해 성능에 큰 영향을 미친다. 유동 역학은 플라즈마 안정성을 향상시키고, 플라즈마와 가스 상호 작용을 증가시킨다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a plasma device having a high plasma impedance and a reduced gas flow instability. In a plasma apparatus capable of handling a flow rate of tens to hundreds of liters per minute, flow dynamics and gas flow patterns have a great influence on the stability and gas decomposition performance of the plasma. Flow dynamics improves plasma stability and increases plasma-gas interactions.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 유도 결합 플라즈마의 효율 또는 안정성을 향상시키기 위하여, 1) 유도 전기장의 세기를 증가시키는 적층 구조의 안테나(코일 구조), 2) 유도 코일의 임피던스 감소를 위한 병렬 구조, 3) 유도 전기장의 세기를 증가시키는 자속 감금 수단, 4) 가스 스월 유동을 제공하는 원통형의 방전 튜브에 용이하게 장착할 수 있는 스월 발생부, 5) 안정적인 유동 패턴을 제공하기 위한 스월 가이드, 6) 플라즈마에서 발생한 열을 효율적으로 활용하도록 흡열 반응을 수행하는 가스를 플라즈마 발생 위치에 제공하는 보조 유전체 튜브 구조, 7) 초기 방전을 효율적으로 발생시키는 초기방전 수단, 8) 스월 유동을 제공하는 스월 발생부와 동일한 방향의 가스 스월을 제공하여 가스-플라즈마　상호 작용을 향상시키고 유동 안정성을 증가시키는 보조 스월 발생부, 9) 유도 코일의 플라즈마 안정성을 향상시키기 위한 교류 전원부 등이 적용된다. 이에 따라, 종래의 유도 결합 플라즈마 장치가 수행할 수 없었던 분당 수 십 내지 ~ 수 백 리터(liter)의 유량을 대기압에서 안정적으로 처리할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in order to improve the efficiency or stability of the conventional inductively coupled plasma, 1) an antenna (coil structure) of a stacked structure that increases the intensity of an induction electric field, 2) for reducing the impedance of the induction coil. Parallel structure, 3) Magnetic flux confinement means to increase the intensity of the induced electric field, 4) Swirl generator that can be easily mounted on a cylindrical discharge tube that provides gas swirl flow, 5) Swirl guide to provide a stable flow pattern , 6) An auxiliary dielectric tube structure that provides gas that performs endothermic reaction to the plasma generation location to efficiently utilize the heat generated from the plasma, 7) an initial discharge means that efficiently generates an initial discharge, and 8) provides a swirl flow. An auxiliary swirl generator that improves gas-plasma interaction and increases flow stability by providing a gas swirl in the same direction as the swirl generator, and 9) an AC power supply to improve the plasma stability of the induction coil are applied. Accordingly, a flow rate of several tens to several hundred liters per minute, which the conventional inductively coupled plasma device cannot perform, can be stably treated at atmospheric pressure.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art. In the drawings, components are exaggerated for clarity. Parts indicated by the same reference numerals throughout the specification represent the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산을 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram for hydrogen production according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 수소 스테이션(hydrogen station, 10)은 연료전지 자동차와 수소 내연기관의 상용화를 위한 인프라 기술로서 연료전지 및 수소 자동차에 수소를 공급하는 수소 충전소이다. 수소 스테이션은 공장에서 수소를 제조하고 차량으로 운반한 후 자동차에 공급하거나 현지에서 직접 수소를 제조한 후 차량에 수소를 공급하는 방식으로 구분할 수 있다. On-site 방식에 의해 수소를 제조하는 방법은 물의 전기분해 방법과 화석연료의 개질 방법 등이 있다. On-site에서 화석연료의 개질에 의해 수소를 제조하는 수소 스테이션은 탈황공정, 연료의 개질반응에 의한 수소제조 공정(reforming), 생성된 과량 수소가스(hydrogen rich gas) 중의 일산화탄소(CO) 농도를 낮추는 수소 정제(water gas shift; WGS) 공정, 고순도 수소 흡착 분리공정(pressure swing adsorption, PSA), 수소를 가압하여 저장하는 수소 저장 공정 및 연료전지 자동차에 수소를 공급하는 충전(dispensing) 공정 등으로 구성되어 있다. 메탄 가스를 공급받아 저장하는 연료 저장부(11)는 탈황 공정부(12)에 메탄 가스를 제공한다. 상기 탈황 공정부(12)는 황을 제거하여 메탄 가스를 개질부(13)에 제공한다. 상기 개질부(13)는 플라즈마 개질 장치로 메탄과 이산화탄소를 제공받아, 플라즈마를 통하여 분해하여 일산화탄소, 수소 등의 합성가스를 생산한다. 상기 개질부(13)는 높은 열에너지를 보유하므로 열교환부(14)를 통하여 합성 가스를 냉각한다. 냉각된 합성가스는 수소 정제부(WGS, 15)를 통하여 수소를 정재하고, 정재된 수소는 수소 흡착부(16)에 제공된다. 수소 흡착부(16)는 수소, 이산화탄소, 및 메탄을 분리한다. 분리된 수소는 연료 전지, 발전 등에 연료로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1, a hydrogen station 10 is an infrastructure technology for commercialization of fuel cell vehicles and hydrogen internal combustion engines, and is a hydrogen charging station that supplies hydrogen to fuel cells and hydrogen vehicles. Hydrogen stations can be classified into a method of producing hydrogen at a factory and supplying it to a vehicle after transporting it to a vehicle, or supplying hydrogen to a vehicle after producing hydrogen directly on site. Methods of producing hydrogen by the on-site method include water electrolysis and fossil fuel reforming. The hydrogen station, which produces hydrogen by reforming fossil fuels on-site, controls the desulfurization process, the hydrogen production process by reforming the fuel, and the carbon monoxide (CO) concentration in the generated excess hydrogen gas. It includes a lowering water gas shift (WGS) process, a high purity hydrogen adsorption separation process (pressure swing adsorption (PSA)), a hydrogen storage process that pressurizes and stores hydrogen, and a dispensing process that supplies hydrogen to a fuel cell vehicle. Consists of. The fuel storage unit 11 receiving and storing methane gas provides methane gas to the desulfurization process unit 12. The desulfurization process unit 12 removes sulfur and provides methane gas to the reforming unit 13. The reforming unit 13 receives methane and carbon dioxide by a plasma reforming device and decomposes through plasma to produce synthetic gas such as carbon monoxide and hydrogen. Since the reforming unit 13 retains high thermal energy, the synthesis gas is cooled through the heat exchange unit 14. The cooled synthesis gas purifies hydrogen through the hydrogen purification unit (WGS, 15), and the purified hydrogen is provided to the hydrogen adsorption unit (16). The hydrogen adsorption unit 16 separates hydrogen, carbon dioxide, and methane. The separated hydrogen can be used as fuel for fuel cells, power generation, and the like.

연료 개질 기술은 크게 수증기 개질(steam reforming), 부분산화 개질(partial oxidation reforming), 자열 개질(auto-thermal reforming), 이산화탄소 개질(CO2 reforming), 플라즈마 개질(plasma reforming) 등으로 분류된다.Fuel reforming technologies are largely classified into steam reforming, partial oxidation reforming, auto-thermal reforming, carbon dioxide reforming, and plasma reforming.

플라즈마 개질 공정은 자체 플라즈마에서 생성된 열원으로 인해 빠른 시동 특성을 가지고 있으며, 반응 조절이 용이하고 에너지 공급대비 수소 전환율이 높다. 또한 다양한 연료 성상에 적용이 가능하다. 그러나 생성물의 선택도 조절이 어렵고 초기 장치비용이 높은 단점을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 개질 장치로 유도 결합 플라즈마 소스를 사용하여, 대기압 또는 대기압 이사의 압력에서 안정적인 개질 반응이 유지될 수 있다. The plasma reforming process has a fast start-up characteristic due to the heat source generated from its own plasma, the reaction is easily controlled, and the hydrogen conversion rate is high compared to the energy supply. Also, it can be applied to various fuel properties. However, it is difficult to control the selectivity of the product and has the disadvantages that the initial equipment cost is high. According to an embodiment of the present invention, by using an inductively coupled plasma source as a plasma reforming apparatus, a stable reforming reaction can be maintained at atmospheric pressure or a pressure above atmospheric pressure.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분해 시스템의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a gas cracking system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 가스 분해 시스템(20)은 합성 가스의 생산 또는 다양한 가스 분해를 위하여 사용될 수 있다. 가스 분해 시스템은 이산화탄소와 메탄을 원료로 사용하는 플라즈마 개질 장치일 수 있다. 상기 합성 가스 생산의 경우, 원료 가스는 메탄과 이산화탄소일 수 있다. Referring to FIG. 2, the gas decomposition system 20 may be used for the production of syngas or for decomposing various gases. The gas decomposition system may be a plasma reforming apparatus using carbon dioxide and methane as raw materials. In the case of the synthesis gas production, the source gas may be methane and carbon dioxide.

상기 가스 분해 시스템의 일 예로 이산화탄소와 메탄을 원료로 사용하는 가스 분해 시스템이 설명된다.As an example of the gas cracking system, a gas cracking system using carbon dioxide and methane as raw materials will be described.

상기 가스 분해 시스템(20)은 가스 공급부(21), 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치(22), 그리고 배기 및 가스 포집부(23)를 포함할 수 있다. 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치(20)은 서로 병열 연결될 수 있다. 이에 따라, 처리 유량을 증가시킬 수 있다. 상기 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치(20)는 대기압에서 동작할 수 있다.The gas decomposition system 20 may include a gas supply unit 21, a gas decomposition inductively coupled plasma device 22, and an exhaust and gas collection unit 23. The gas decomposition inductively coupled plasma apparatus 20 may be connected in parallel to each other. Accordingly, it is possible to increase the processing flow rate. The gas decomposition inductively coupled plasma device 20 may operate at atmospheric pressure.

가스 공급부(21)는 다양한 연료를 플라즈마 장치에 공급할 수 있다. 상기 연료는 메탄과 이산화탄소일 수 있다. 상기 연료는 바이오 가스 또는 다양한 탄화수소 가스일 수 있다. 상기 가스 공급부(21)는 플라즈마 초기 방전 또는 방전 안정성을 위하여 아르곤(Ar)과 같은 보조 가스를 제공할 수 있다.The gas supply unit 21 may supply various fuels to the plasma device. The fuel may be methane and carbon dioxide. The fuel may be biogas or various hydrocarbon gases. The gas supply unit 21 may provide an auxiliary gas such as argon (Ar) for initial plasma discharge or discharge stability.

배기 및 가스 포집부(23)는 생성된 합성 가스를 수집하고 처리할 수 있다. 상기 배기 및 가스 포집부(23)는 일산화 탄소 등의 농도를 측정하고, 일산화탄소 및 수소 등을 포집할 수 있다. 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치는 발생한 열을 회수하는 열 교환기와 결합할 수 있다. 또한, 배기 및 가스 포집부(23)는 수소 정제부 및 수소 흡착부를 포함하도록 구성될 수 있다.The exhaust and gas collection unit 23 may collect and process the generated synthesis gas. The exhaust and gas collecting unit 23 may measure the concentration of carbon monoxide and the like and collect carbon monoxide and hydrogen. The gas decomposition inductively coupled plasma device may be combined with a heat exchanger that recovers the generated heat. In addition, the exhaust and gas collecting unit 23 may be configured to include a hydrogen purification unit and a hydrogen adsorption unit.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a plasma device according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 유도 결합 플라즈마 장치(100)는 유전체 방전 튜브(110); 가스를 공급받아 상기 유전체 방전 튜브 내에 스월(swirl) 유동을 제공하는 스월 발생부(140); 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(120); 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 를 포함한다. 상기 유도 결합 플라즈마 장치(100)는 대기압 또는 대기압 이상의 압력에서 원료 가스(메탄과 이산화탄소)를 분해하여 합성 가스(일산화탄소와 수소)를 생성할 수 있다.3, the inductively coupled plasma device 100 includes a dielectric discharge tube 110; A swirl generator 140 that receives gas and provides a swirl flow in the dielectric discharge tube; An induction coil 120 disposed to surround the dielectric discharge tube 110 to generate an induced electric field to generate plasma; And an AC power supply unit 129 supplying power to the induction coil. Includes. The inductively coupled plasma device 100 may generate synthesis gas (carbon monoxide and hydrogen) by decomposing source gases (methane and carbon dioxide) at atmospheric pressure or a pressure equal to or higher than atmospheric pressure.

상기 유전체 방전 튜브(110)는 방전된 플라즈마가 위치하는 방전 영역과 외부를 격리한다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 압력은 실질적으로 대기압 또는 대기압 이상의 압력일 수 있다. 분해된 가스가 외부로 누출되는 경우, 유해할 수 있다. 따라서, 유해 가스가 발생하는 경우, 상기 유전체 방전 튜브는 밀봉될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브는 원통형일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브는 원통형이 바람직할 수 있다. 그러나, 상기 유전체 방전 튜브(110)는 대기압에서 동작하므로 원통, 타원통, 사각통 등과 같이 다양하게 변형될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 재질은 쿼츠(Quartz), 세라믹, 알루미나, 또는 사파이어일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브는 제작 용이성 및 열충격에 강한 쿼츠가 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)는 유도 기전력을 전달하기 위하여 비도전성 물질로 형성된다. The dielectric discharge tube 110 isolates the discharge area where the discharged plasma is located and the outside. The pressure of the dielectric discharge tube 110 may be substantially atmospheric pressure or a pressure higher than atmospheric pressure. If the decomposed gas leaks to the outside, it can be harmful. Therefore, when harmful gas is generated, the dielectric discharge tube can be sealed. The dielectric discharge tube may have a cylindrical shape. The dielectric discharge tube may have a cylindrical shape. However, since the dielectric discharge tube 110 operates at atmospheric pressure, it may be variously deformed, such as a cylinder, an elliptical cylinder, and a square cylinder. The material of the dielectric discharge tube 110 may be quartz, ceramic, alumina, or sapphire. It may be preferable that the dielectric discharge tube is formed of quartz that is resistant to manufacturing ease and thermal shock. The dielectric discharge tube 110 is formed of a non-conductive material to transmit an induced electromotive force.

대기압 유도 결합 플라즈마는 유도 코일(120)에 의하여 방전될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 내부의 압력은 바람직하게는 300 토르(Torr) 내지 1000 토르의 범위일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 압력이 대기압에 근접하는 경우, 유도 결합 플라즈마가 발생하기 어려운 단점이 있으나, 압력이 높아 대용량의 유량을 처리할 수 있다. 한편, 상기 유전체 방전 튜브(110)의 압력이 수 토르 내지 100 토르 수주인 경우, 유도 결합 플라즈마는 용이하게 발생될 수 있으나, 유량이 현저히 감소하고, 스월 유동이 감소한다. 즉, 압력 감소에 따른 가스의 확산 계수 증가에 의하여, 수십 kWatt 이상의 고전력이 인가된 상기 유전체 방전 튜브(110)는 열에 의하여 파손될 수 있다.Atmospheric pressure inductively coupled plasma may be discharged by the induction coil 120. The pressure inside the dielectric discharge tube 110 may preferably be in the range of 300 Torr to 1000 Torr. When the pressure of the dielectric discharge tube 110 approaches atmospheric pressure, there is a disadvantage in that it is difficult to generate inductively coupled plasma, but the pressure is high, so that a large flow rate can be processed. On the other hand, when the pressure of the dielectric discharge tube 110 is several tor to 100 torr order, inductively coupled plasma can be easily generated, but the flow rate is remarkably reduced and the swirl flow is reduced. That is, the dielectric discharge tube 110 to which a high power of tens of kWatt or more is applied may be damaged by heat due to an increase in the diffusion coefficient of the gas according to the pressure decrease.

상기 유전체 방전 튜브(110)의 직경은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 있는 유도 코일(120)의 인덕턴스에 영향을 미친다. 상기 유도 코일의 인덕턴스가 증가하는 경우, 교류 전원 또는 RF 전원은 효율적으로 부하(유도 코일 포함)에 전력을 공급하지 못한다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브(110)의 직경은 수 센치미터 내지 수십 센치미터의 범위일 수 있다. 바람직하게는 상기 유전체 방전 튜브의 외직경은 8 센치 미터 수준일 수 있다. 상기 유도 코일의 인덕턴스는 5uH 내지 20 uH 범위일 수 있다. The diameter of the dielectric discharge tube 110 affects the inductance of the induction coil 120 surrounding the dielectric discharge tube. When the inductance of the induction coil increases, the AC power or RF power cannot efficiently supply power to the load (including the induction coil). Accordingly, the diameter of the dielectric discharge tube 110 may range from several centimeters to several tens of centimeters. Preferably, the outer diameter of the dielectric discharge tube may be about 8 cm. The inductance of the induction coil may range from 5 uH to 20 uH.

통상적인 솔레노이드 형태의 유도 코일은 방전을 유지하고 충분한 가스 분해를 유발할 수 있을 정도로 강한 유도 전기장을 발생시키기 어렵다. 유도 전기장은 주파수가 높을 수록 유도 코일을 통하여 용이하게 생성되나, 주파수가 증가할 수록 수십 킬로 와트(kWatt) 이상의 고전력을 발생시키는 전력원(power source)의 제작이 어렵다. 통상적으로, 수백 킬로 헤르츠(kHz) 이하의 주파수 영역의 경우, 수십 kWatt 이상의 전력원이 제작될 수 있다. 수 MHz 이상의 주파수 영역의 경우, 수십 kWatt의 전력원이 제작되기 어렵다. 따라서, 수십 kWatt 이상의 전력을 공급하기 위하여, 상기 교류 전원부(129)은 수 MHz 이하의 주파수를 가질 수 있다. 상기 교류 전원부(129)의 100 kHz 내지 4 MHz이고, 바람직하게는 400 kHz 영역일 수 있다. 또한, 상기 교류 전원부(129)는 임피던스 매칭 또는 방전 안정성을 향상하기 위하여 위하여 가변 주파수 전원일 수 있다. 즉, 방전의 초기 단계의 주파수는 방전이 안정적으로 유지된 상태의 주파수는 서로 다를 수 있다. Conventional solenoid-shaped induction coils are difficult to generate strong induction electric fields that can maintain discharge and cause sufficient gas decomposition. The induction electric field is easily generated through the induction coil as the frequency increases, but it is difficult to manufacture a power source that generates high power of tens of kilowatts or more as the frequency increases. Typically, in the case of a frequency range of several hundred kilohertz (kHz) or less, a power source of several tens of kWatt or more may be manufactured. In the case of a frequency range of several MHz or more, it is difficult to manufacture a power source of several tens of kWatt. Accordingly, in order to supply power of several tens of kWatt or more, the AC power supply unit 129 may have a frequency of several MHz or less. It is 100 kHz to 4 MHz of the AC power supply unit 129, and may preferably be in the 400 kHz range. In addition, the AC power supply unit 129 may be a variable frequency power supply to improve impedance matching or discharge stability. That is, the frequency of the initial stage of discharge may be different from the frequency of the state in which the discharge is stably maintained.

유도 코일(120)은 CO2, CH4 등의 가스를 이용하여 대기압 플라즈마를 방전하기 위해서는 강한 전기장(Electric field)를 유도하여야 하며, 가스 반응 효율을 증가시키기 위하여 단위 시간 당 높은 에너지가 플라즈마에 투입하여야 한다. 이를 위하여 안테나 또는 유도 코일은 다음의 특징을 가진다. 상기 유도 코일(120)의 내부에는 냉각을 위하여 가압 공기 또는 물과 같은 냉매가 흐를 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 유도 코일의 내부에 냉매가 흐르는 경우에도, 수십 kWatt 이상의 전력이 공급되는 경우, 상기 유도 코일은 가열되어 녹을 수 있다. 따라서, 상기 유도 코일은 구리 재질로 형성되고, 표면 저항을 감소시키기 위하여 은으로 도금될 수 있다. The induction coil 120 must induce a strong electric field in order to discharge atmospheric pressure plasma using gases such as CO2 and CH4, and high energy per unit time must be injected into the plasma to increase gas reaction efficiency. . To this end, the antenna or induction coil has the following features. A refrigerant such as pressurized air or water may flow inside the induction coil 120 for cooling. Nevertheless, even when the refrigerant flows inside the induction coil, when power of several tens of kWatt or more is supplied, the induction coil may be heated and melted. Accordingly, the induction coil may be formed of a copper material, and may be plated with silver to reduce surface resistance.

[다층 유도 코일의 구조][Structure of multilayer induction coil]

현재 대기압 유도 결합 플라즈마 장치는 방전 공간에 높은 전기장을 유도하기 위하여 Very-High Frequency (VHF)의 전력을 인가한다. 통상적으로 대기압 유도 결합 플라즈마 장치는 27.4 MHz를 사용한다. 이 27.4 MHz 주파수의 경우, 플라즈마 방전 및 유지가 용이하나 RF 전원 (RF generator) 및 임피던스 정합(impedance matching)의 기술적 한계에 의하여 고전력을 높은 효율로 플라즈마 인가하는 것이 불가능하다. 따라서, 가스 분해와 CH4-CO2 플라즈마 개질 반응은 효율적으로 수행될 수 없다. 특히, CH4-CO2 플라즈마 개질 반응은 열 플라즈마(thermal plasma)를 요한다. 현재 까지는, 수 MHz 이하의 저주파에서, 수십 kWatt 이상의 전력을 이용한 유도 결합 플라즈마 장치가 요구되지 않았다. 통상적으로, 대기압 방전은 플라즈마 토치(plasma torch)를 이용하여 용이하게 방전된다. 따라서, 대기압 방전을 위하여 유도 결합 방전이 필요성이 없었다. 그러나, 플라즈마 토치의 경우, 전극은 소모성을 가지므로, 교환 및 수리가 자주 발생한다. 대기압 초고주파 방전의 경우, 방전 용이성은 있으나, 기구적으로 복잡하고, 수십 kWatt 이상의 전력을 출력하는 마그네트론(magnetron)은 현실적으로 없거나 너무 고가이다. 한편, 유도 결합 플라즈마는 유도 전기장이 유전체 방전 튜브에 수직 입사하지 않아, 이온 충격에 의한 손상이 적다. 유도 결합 플라즈마는 원통 형상의 유전체 방전 튜브(110)의 중심축 방향의 전기장을 생성한다. 스월 유동은 플라즈마를 유전체 튜브의 중심영역으로 감금하고 안정적인 방전을 유지할 수 있다. Currently, atmospheric pressure inductively coupled plasma devices apply very-high frequency (VHF) power to induce a high electric field in the discharge space. Typically, an atmospheric pressure inductively coupled plasma device uses 27.4 MHz. In the case of this 27.4 MHz frequency, plasma discharge and maintenance are easy, but it is impossible to apply high power to plasma with high efficiency due to technical limitations of RF generator and impedance matching. Therefore, gas decomposition and CH4-CO2 plasma reforming reaction cannot be carried out efficiently. In particular, the CH4-CO2 plasma reforming reaction requires a thermal plasma. Until now, an inductively coupled plasma device using power of several tens of kWatt or more at a low frequency of several MHz or less has not been required. Typically, atmospheric pressure discharge is easily discharged using a plasma torch. Therefore, there was no need for inductive coupling discharge for atmospheric pressure discharge. However, in the case of a plasma torch, since the electrode has a consumable property, replacement and repair are frequently performed. In the case of atmospheric pressure ultra-high frequency discharge, although it is easy to discharge, it is mechanically complicated, and a magnetron that outputs power of several tens of kWatt or more is not practically present or too expensive. On the other hand, the inductively coupled plasma is less damaged by ion bombardment because the induced electric field does not normally enter the dielectric discharge tube. The inductively coupled plasma generates an electric field in the direction of the central axis of the cylindrical dielectric discharge tube 110. The swirl flow confines the plasma to the central region of the dielectric tube and maintains a stable discharge.

수 MHz 이하의 낮은 주파수의 수십 kWatt 이상의 고전력을 인가하는 경우, 방전에 필요한 강한 유도 전기장을 형성 할 수 없다. 강한 유도 전기장을 발생시키기 위하여, 새로운 유도 코일 구조가 제안된다. 유도 코일과 안테나는 동일한 의미로 이하에서 혼용하여 사용된다. 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 안테나의 경우, 플라즈마에 전달되는 유도 전기장의 세기는 유도 코일의 전류 및 주파수에 비례하며, 감긴 수(권선 수)의 제곱에 비례한다. 따라서 유도 코일(또는 안테나)의 감은 수를 늘릴수록 플라즈마에 높은 전류를 인가 할 수 있다. 그러나, 솔레노이드 코일의 권선 수가 증가함에 따라, 공간적인 제약에 의하여 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 에너지가 분산된다. 또한, 유도 코일의 높은 인덕턴스(임피던스)는 RF 전원(RF generator)로 부터 유도 코일(안테나)로의 전력전달을 어렵게 한다. 중요한 것은 플라즈마 주변에 형성되는 전기장의 밀도를 높여야 되므로 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향에 대하여 단위 길이 당 권선 수를 최대화해야 한다. 실험결과에 따르며, 단층 구조의 유도 코일은 안정적으로 유도 결합 플라즈마를 생성하기 어렵다. When a high power of several tens of kWatt or more with a low frequency of several MHz or less is applied, a strong induced electric field required for discharge cannot be formed. In order to generate a strong induction electric field, a new induction coil structure is proposed. The induction coil and the antenna are used interchangeably below with the same meaning. In the case of an inductively coupled plasma (ICP) antenna, the strength of the induced electric field transmitted to the plasma is proportional to the current and frequency of the induction coil, and is proportional to the square of the number of turns (number of windings). Therefore, as the number of turns of the induction coil (or antenna) increases, a higher current can be applied to the plasma. However, as the number of windings of the solenoid coil increases, energy is dissipated in the longitudinal direction of the dielectric discharge tube due to spatial constraints. In addition, the high inductance (impedance) of the induction coil makes it difficult to transfer power from the RF generator to the induction coil (antenna). What is important is to increase the density of the electric field formed around the plasma, and thus the number of windings per unit length must be maximized in the longitudinal direction of the dielectric discharge tube. According to the experimental results, it is difficult to stably generate an inductively coupled plasma with a single-layered induction coil.

따라서 우리는 특정 횟수로 유도 코일을 감은 후, 외측에 유도 코일을 겹치는 형태로 디자인 하였다. 즉, 다층 구조의 유도 코일이 제안된다. 권선 수와 층수는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 직경과 임피던스 정합에 적합한 인덕턴스 값에 따라 달라진다. 예를 들어, 80mm 직경의 유전체 방전 튜브에 4 turn 안테나를 3번 겹쳐서 사용한 경우, 안테나 저항은 180 mOhm, 안테나 인덕턴스는 8 μH이고, 안테나에 180 A의 전류가 인가될 수 있다. Therefore, after winding the induction coil a certain number of times, we designed the shape of overlapping the induction coil on the outside. That is, an induction coil having a multilayer structure is proposed. The number of windings and the number of layers varies depending on the diameter of the dielectric discharge tube 110 and an inductance value suitable for impedance matching. For example, when a 4 turn antenna is overlapped three times on an 80 mm diameter dielectric discharge tube, the antenna resistance is 180 mOhm, the antenna inductance is 8 μH, and a current of 180 A may be applied to the antenna.

상기 교류 전원부는 100 kHz 내지 4 MHz 범위의 교류 전력을 상기 유도 코일에 제공할 수 있다. 한편, 임피던스 매칭을 위하여 상기 교류 전원부(129)와 상기 유도 코일(120) 사이에 임피던스 매칭 네트워크(128)가 배치될 수 있다. The AC power unit may provide AC power in the range of 100 kHz to 4 MHz to the induction coil. Meanwhile, an impedance matching network 128 may be disposed between the AC power supply unit 129 and the induction coil 120 for impedance matching.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.4A is a cut perspective view illustrating an induction coil having a laminated structure according to an embodiment of the present invention.

도 4b는 도 4a의 유도 코일의 단면도이다.4B is a cross-sectional view of the induction coil of FIG. 4A.

도 4c는 도 4a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.4C is a circuit diagram illustrating the induction coil of the laminated structure of FIG. 4A.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 유도 코일(120)은 복층 구조의 솔레노이드 형태일 수 있다. 상기 유도 코일(120)의 층수는 2 층 내지 3 층일 수 있다. 또한, 각층의 권선수는 3 내지 5 일 수 있다. 4A to 4C, the induction coil 120 may be in the form of a solenoid having a multilayer structure. The number of layers of the induction coil 120 may be 2 to 3 layers. In addition, the number of windings of each layer may be 3 to 5.

상기 유도 코일(120)은 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치된 하부 솔레노이드 코일(122); 및 상기 하부 솔레이드 코일을 감싸도록 배치된 상부 솔레노이드 코일(126)을 포함할 수 있다. 상기 하부 솔레노이드 코일(122)과 상기 상부 솔레노이드 코일(126)은 직렬 연결되고, 상기 하부 솔레노이드 코일이 생성하는 자기장의 방향과 상기 상부 솔레노이드 코일이 생성하는 자기장의 방향은 서로 같을 수 있다.The induction coil 120 includes a lower solenoid coil 122 disposed to surround the dielectric discharge tube 110; And an upper solenoid coil 126 disposed to surround the lower solenoid coil. The lower solenoid coil 122 and the upper solenoid coil 126 are connected in series, and a direction of a magnetic field generated by the lower solenoid coil and a direction of a magnetic field generated by the upper solenoid coil may be the same.

상기 유도 코일(120)은 상기 하부 솔레노이드 코일(122)과 상기 상부 솔레노이드 코일(126) 사이에 배치된 중간 솔레노이드 코일(124)을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 솔레노이드 코일(122), 상기 중간 솔레이드 코일(124), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(126)은 직렬 연결될 수 있다. 상기 하부 솔레노이드 코일(122), 상기 중간 솔레이드 코일(124), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(126)가 생성하는 자기장의 방향은 같을 수 있다. 상기 교류 전원부의 주파수는 100 kHz 내지 4 MHz일 수 있다.The induction coil 120 may further include an intermediate solenoid coil 124 disposed between the lower solenoid coil 122 and the upper solenoid coil 126. The lower solenoid coil 122, the middle solenoid coil 124, and the upper solenoid coil 126 may be connected in series. The directions of the magnetic fields generated by the lower solenoid coil 122, the middle solenoid coil 124, and the upper solenoid coil 126 may be the same. The frequency of the AC power supply may be 100 kHz to 4 MHz.

상기 하부 솔레노이드 코일(122), 상기 중간 솔레노이드 코일(124), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(126) 각각은 파이프의 외곽을 감싸는 스페이서(121)를 포함할 수 있다. 상기 스페이서(121)는 고온에서 녹지 않고 절연파괴전압이 높은 절연 물질일 수 있다. 상기 스페이서는 상기 유도 코일의 접촉을 방지하고 일정한 간격을 유지할 수 있다. 상기 유도 코일의 간격이 너무 좁은 경우, 대기압 방전이 발생할 수 있다. 상기 유도 코일은 파이프로 제작되고, 내부에 냉매가 흐를 수 있다.Each of the lower solenoid coil 122, the middle solenoid coil 124, and the upper solenoid coil 126 may include a spacer 121 surrounding an outer periphery of a pipe. The spacer 121 may be an insulating material that does not melt at a high temperature and has a high dielectric breakdown voltage. The spacer may prevent contact with the induction coil and maintain a constant spacing. When the distance between the induction coils is too narrow, atmospheric pressure discharge may occur. The induction coil is made of a pipe, and a refrigerant may flow therein.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 유도 코일은 2층 구조의 솔레노이드 코일 구조이고, 상기 유도 코일은 하층에 4 턴 및 상층에 4턴을 가질 수 있다. According to a modified embodiment of the present invention, the induction coil has a solenoid coil structure of a two-layer structure, and the induction coil may have 4 turns in the lower layer and 4 turns in the upper layer.

[병렬 구조에 의한 유도 코일(antenna)의 실저항 감소][Reduction of actual resistance of induction coil (antenna) by parallel structure]

대기압 CO2/CH4 플라즈마를 방전하는 경우, 플라즈마의 실저항(real resistance)이 아르곤(Ar) 플라즈마에 비하여 0.6~0.9 Ohm 수준으로 급격히 감소한다. 임피던스 절대값의 감소로 인하여 필요로 하는 전류의 크기가 증가한다. 이 때 약 수백 암페어(A)의 전류가 필요하다. 기구물의 저항(유도 코일 자체 저항 또는 연결 부위의 접촉 저항)이 플라즈마의 실저항에 비하여 무시 못할 수준이 되면, 공급하는 전력의 전달효율이 감소하며, 기구물로 에너지가 손실된다. 따라서, 기구물이 파손되고, 사고 가능성이 생긴다. In the case of discharging atmospheric pressure CO2/CH4 plasma, the real resistance of the plasma rapidly decreases to a level of 0.6 to 0.9 Ohm compared to the argon (Ar) plasma. Due to the decrease in the absolute value of the impedance, the required current increases. At this time, a current of about several hundred amps (A) is required. When the resistance of the device (resistance of the induction coil itself or the contact resistance of the connection part) reaches a level that is not negligible compared to the actual resistance of the plasma, the transmission efficiency of the supplied power decreases and energy is lost to the device. Therefore, the mechanism is damaged, and an accident is possible.

기구물 중에서 가장 실저항이 높은 것은 안테나의 자체 실저항(약 0.18 Ohm)이다. 안테나의 자체 실저항은 전체 기구물 저항 중에서 80%를 차지할 수 있다. 안테나는 물 냉각을 하여 파손가능성을 줄여도 에너지 손실에 의한 문제가 남는다. CO2 방전 시 안테나의 에너지 손실은 20%가 넘으므로 개선이 필요하다. 이에 안테나의 병렬 연결 구조가 제안된다. Among the devices, the highest actual resistance is the antenna's own actual resistance (about 0.18 Ohm). The antenna's own actual resistance can occupy 80% of the total resistance. Even if the antenna is cooled with water to reduce the possibility of damage, the problem due to energy loss remains. The energy loss of the antenna in the case of CO2 discharge exceeds 20%, so improvement is needed. Accordingly, a structure for parallel connection of antennas is proposed.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.5A is a cutaway perspective view illustrating an induction coil having a parallel structure according to an embodiment of the present invention.

도 5b는 도 5a의 유도 코일의 단면도이다.5B is a cross-sectional view of the induction coil of FIG. 5A.

도 5c는 도 5a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.5C is a circuit diagram illustrating the induction coil of the laminated structure of FIG. 5A.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상기 유도 코일(430)은 복수의 다층 구조의 유도 코일 모듈(430a,320b)을 포함할 수 있다. 상기 다층 구조의 유도 코일 모듈(430a,320b)은 서로 공간적으로 이격되어 배치되고, 서로 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 다층 구조의 유도 코일 모듈이 생성하는 자기장은 서로 보강 간섭할 수 있다. 제1 유도 코일 모듈(320a)은 하부 솔레노이드 코일(322a), 상기 중간 솔레노이드 코일(324a), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(326a)를 포함할 수 있다. 제2 유도 코일 모듈(320b)은 하부 솔레노이드 코일(322b), 상기 중간 솔레노이드 코일(324b), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(326b)를 포함할 수 있다. 5A to 5C, the induction coil 430 may include a plurality of multi-layered induction coil modules 430a and 320b. The multi-layered induction coil modules 430a and 320b are spatially spaced apart from each other, are electrically connected in parallel with each other, and magnetic fields generated by the multi-layered induction coil modules may interfere constructively with each other. The first induction coil module 320a may include a lower solenoid coil 322a, the middle solenoid coil 324a, and the upper solenoid coil 326a. The second induction coil module 320b may include a lower solenoid coil 322b, the middle solenoid coil 324b, and the upper solenoid coil 326b.

Case 1Case 1 Case 2 Case 2 Case 3 Case 3 3층 구조
(10 turn)3-layer structure
(10 turn) 3층 구조 + 보강간섭 병렬
(10 X 2 turns)3-layer structure + parallel constructive interference
(10 X 2 turns) 3층 구조 + 보강간섭 병렬
(13 X 2 turns)3-layer structure + parallel constructive interference
(13 X 2 turns) L= 8.1 uH
R=180 mOhmL= 8.1 uH
R=180 mOhm L= 6.8 uH
R=91 mOhmL= 6.8 uH
R=91 mOhm L= 8.9 uH
R=120 mOhmL= 8.9 uH
R=120 mOhm

안테나 구조( 유도 코일 구조)를 2 병렬로 하는 경우(case 2 및 case 3), 안테나의 저항은 약 1/2로 감소하며 인덕턴스는 원래의 65% 수준이 된다. 따라서 교류 전원부의 임피던스 매칭은 좀더 넓은 범위를 가지며, 안테나 저항이 줄어 손실 또한 감소한다. 그리고 낮은 인덕턴스로 인하여 권선 수를 증가시킬 수 있어, 플라즈마 에너지 전달(plasma energy coupling)이 개선된다. When the antenna structure (induction coil structure) is made in parallel (case 2 and case 3), the resistance of the antenna decreases to about 1/2, and the inductance becomes the original 65% level. Therefore, the impedance matching of the AC power supply has a wider range, and the antenna resistance decreases, reducing the loss. In addition, the number of windings can be increased due to the low inductance, thereby improving plasma energy coupling.

[가스 투입 및 스윌 구조] [Gas input and swirl structure]

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 스월 제공부를 설명하는 절단 사시도이다.6 is a cutaway perspective view illustrating a swirl providing unit of a plasma device according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 가스 공급부(21)는 메탄, 이산화탄소, 아르곤, 및 이들의 조합 가스를 공급할 수 있다. 상기 가스 공급부(21)는 초기 방전 모드(initial discharge mode)과 주 방전 모드(main discgarge mode)에 따라 다른 가스 및 유량을 제공할 수 있다. 예를 들어, 초기 방전 모드의 경우, 상기 아르곤 가스와 이산화탄소가 주로 상기 유전체 방전 튜브(110)에 공급될 수 있다. 한편, 주 방전 모드의 경우, 이산화탄소와 메탄 가스가 상기 유전체 방전 튜브(100)에 공급될 수 있다. 또한, 초기 방전 모드는 주로 고전압을 이용한 축전 결합 모드로 방전되고, 주 방전 모드는 주로 고전류를 이용한 유도 결합 모드로 방전될 수 있다.Referring to FIG. 6, the gas supply unit 21 may supply methane, carbon dioxide, argon, and a combination gas thereof. The gas supply unit 21 may provide different gases and flow rates according to an initial discharge mode and a main discharge mode. For example, in the initial discharge mode, the argon gas and carbon dioxide may be mainly supplied to the dielectric discharge tube 110. Meanwhile, in the main discharge mode, carbon dioxide and methane gas may be supplied to the dielectric discharge tube 100. In addition, the initial discharge mode is mainly discharged in a capacitive coupling mode using a high voltage, and the main discharge mode may be discharged mainly in an inductive coupling mode using a high current.

상기 유전체 방전 튜브(110)가 플라즈마를 감금하는 경우, 외벽에 강한 열이 전달된다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브(110)는 열에 의하여 손상될 수 있기 때문에, 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중앙에 비하여 표면에 강한 가스의 스월 유동 또는 소용돌이 유동을 제공한다. 이에 따라, 상기 스월 흐름(swirl flow)은 플라즈마를 중앙으로 유도하고 상기 유전체 방전 튜브의 외벽과 격리시킨다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브(110)는 열로부터 보호된다. 또한, 대기압의 높은 압력은 플라즈마 및 가열된 가스의 열 에너지를 유전체 방전 튜브에 전달하는 것을 억제한다. 이러한 효과가 가능하기 위하여 상기 유전체 방전 튜브(100)의 표면에 강한 속도로 소용돌이의 가스의 흐름이 요구된다. 또한, 상기 유전체 방전 튜브의 중앙과 내측면에서의 압력 차이가 요구된다. 또한, 국지적 와류의 형성이 억제되어야 한다. When the dielectric discharge tube 110 confines plasma, strong heat is transferred to the outer wall. Accordingly, since the dielectric discharge tube 110 may be damaged by heat, a swirling flow or eddy flow of gas is provided on a surface of the dielectric discharge tube 110 that is stronger than that of the center of the dielectric discharge tube 110. Accordingly, the swirl flow induces plasma to the center and isolates it from the outer wall of the dielectric discharge tube. Accordingly, the dielectric discharge tube 110 is protected from heat. In addition, the high atmospheric pressure suppresses the transfer of thermal energy of plasma and heated gas to the dielectric discharge tube. In order to achieve this effect, a swirling gas flow is required on the surface of the dielectric discharge tube 100 at a strong speed. In addition, a pressure difference between the center and the inner surface of the dielectric discharge tube is required. In addition, the formation of localized eddies must be suppressed.

가스를 원하는 방향으로 회전시키기 위하여 먼저 소용돌이를 일으키는 스월 발생부(140)가 존재한다. 상기 스월 발생부(140)는 유도 코일에 의한 플라즈마에 열 접촉이 최소화되면서 안정적으로 스월 흐름을 유도할 수 있다.In order to rotate the gas in a desired direction, there is a swirl generator 140 that generates a vortex first. The swirl generator 140 may stably induce a swirl flow while minimizing thermal contact with plasma by an induction coil.

종래의 US7,662,693의 도 1 내지 도 3을 참조하면, 플라즈마 용기는 외벽 및 내벽을 가지는 이중 벽 구조이고, 내벽에 슬릿을 형성하여 스월 유동을 생성한다. 그러나, 이러한 구조는 안정적으로 스월 유동을 생성할 수 없다. 또한, 내벽은 플라즈마의 열에 의하여 손상될 수 있다. 또한, 내벽이 유전체 재질로 형성된 경우, 상기 슬릿 제작이 매우 어렵다. 또한, 내벽이 도전체인 경우, 상기 내벽은 유도 코일의 유도 전기장에 의하여 직접 가열되어, 열에 의하여 손상된다.1 to 3 of the conventional US 7,662,693, the plasma vessel has a double wall structure having an outer wall and an inner wall, and a slit is formed on the inner wall to generate a swirl flow. However, such a structure cannot stably generate swirl flow. In addition, the inner wall may be damaged by the heat of the plasma. In addition, when the inner wall is made of a dielectric material, it is very difficult to manufacture the slit. In addition, when the inner wall is a conductor, the inner wall is directly heated by the induced electric field of the induction coil and is damaged by heat.

따라서, 유도 결합 플라즈마에서 스월 유동을 안정적으로 제공할 수 있는 다른 방법이 요구된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단에 결합하여 노즐을 통하여 스월 유동을 제공한다. 상기 스월 유동은 상기 유전체 방전 튜브 내에 소용돌이를 형성하면서 상기 유전체 방전 튜브(110)를 따라 진행할 수 있다. 상기 스월 발생부(140)와 상기 유도 코일(120)이 근접하여(예를 들어 수 센치 미터 이하로) 배치된 경우, 상기 유도 코일(120)에 의하여 발생한 강한 열 에너지는 상기 스월 발생부(140)를 손상시킬 수 있다. 따라서, 상기 스월 발생부(140)와 상기 유도 코일(120)은 수 센치 미터 이상 격리될 수 있다.Therefore, there is a need for another method capable of stably providing swirl flow in an inductively coupled plasma. According to an embodiment of the present invention, the swirl generator 140 is coupled to one end of the dielectric discharge tube 110 to provide a swirl flow through a nozzle. The swirl flow may proceed along the dielectric discharge tube 110 while forming a vortex in the dielectric discharge tube. When the swirl generation unit 140 and the induction coil 120 are disposed in close proximity (for example, several centimeters or less), the strong thermal energy generated by the induction coil 120 is generated by the swirl generation unit 140 ) Can be damaged. Accordingly, the swirl generator 140 and the induction coil 120 may be isolated by several centimeters or more.

상기 스월 발생부(140)는 대기압 플라즈마의 위치 제어 및 반응의 최적화를 위하여 노즐을 세분화하여 디자인 하였다. 이에 따라, 플라즈마의 방전 안정성 및 가스의 반응 효율이 상승되었다. 노즐은 외측 노즐(143a), 및 내측 노즐(144a)을 포함한다. 또는, 노즐은 외측 노즐(1443a), 내측 노즐(144a), 및 중심 노즐(145)을 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐(143a)은 외측 노즐 가스 공급 라인(141a)을 통하여 가스를 공급받을 수 있다. 상기 내측 노즐(144a)은 내측 노즐 가스 공급 라인(141b)을 통하여 가스를 공급받을 수 있다. 상기 중심 노즐(145)은 중심 노즐 가스 공급 라인(141c)을 통하여 가스를 공급받을 수 있다. The swirl generator 140 is designed by subdividing nozzles to control the position of atmospheric plasma and optimize the reaction. Accordingly, the discharge stability of the plasma and the reaction efficiency of the gas were increased. The nozzle includes an outer nozzle 143a, and an inner nozzle 144a. Alternatively, the nozzle may include an outer nozzle 1443a, an inner nozzle 144a, and a center nozzle 145. The outer nozzle 143a may receive gas through the outer nozzle gas supply line 141a. The inner nozzle 144a may receive gas through the inner nozzle gas supply line 141b. The central nozzle 145 may receive gas through the central nozzle gas supply line 141c.

상기 스월 발생부(140)는 외측 스월 유동을 제공하는 외측 노즐(143a)과 내측 스월 유동을 제공하는 내측 노즐(144a)을 포함할 수 있다. The swirl generator 140 may include an outer nozzle 143a providing an outer swirl flow and an inner nozzle 144a providing an inner swirl flow.

또한, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 스월 발생부(140)는 외측 스월 유동을 제공하는 외측 노즐(143a), 내측 스월 유동을 제공하는 내측 노즐(144a), 및 중심에 스월없이 가스를 주입하는 중심 노즐(145)을 포함할 수 있다. 상기 중심 노즐(145)을 통한 가스의 공급은 상기 유전체 방전 튜브(110)와 플라즈마의 접촉을 억제하고, 플라즈마 안정성을 개선할 수 있다. In addition, according to a modified embodiment of the present invention, the swirl generator 140 includes an outer nozzle 143a providing an outer swirl flow, an inner nozzle 144a providing an inner swirl flow, and a gas without a swirl at the center. It may include a central nozzle 145 for injecting. The supply of gas through the central nozzle 145 may suppress contact of the plasma with the dielectric discharge tube 110 and improve plasma stability.

외측 노즐(143a) 만을 이용하여 스월 유동을 제공하는 경우, 플라즈마 안정성이 악화되고, 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브의 내벽과 접촉할 수 있다. 따라서, 상기 내측 노즐(144a)을 추가적으로 배치한 경우, 플라즈마 안정성이 향상될 수 있다. When the swirl flow is provided using only the outer nozzle 143a, plasma stability deteriorates, and the plasma may contact the inner wall of the dielectric discharge tube. Accordingly, when the inner nozzle 144a is additionally disposed, plasma stability may be improved.

상기 스월 발생부(140)는 유전체 방전 튜브의 동심원에 대하여 중심으로부터 가장자리까지 2부분 또는 3부분으로 구역을 나누어 가스를 투입 할 수 있다. 외측 노즐(143a)은 상기 유전체 방전 튜브의 내부의 가장자리에 냉각 및 플라즈마를 격리시키기 위한 스월 유동을 제공한다. 상기 중심 노즐(145)과 상기 외측 노즐(143a) 사이에는 압력차를 조절하기 위한 내측 노즐(144a)이 위치한다. 상기 내측 노즐(144a)은 상기 유전체 방전 튜브의 반경 방향으로 압력 차이를 조절할 수 있다.The swirl generator 140 may divide a zone into two or three portions from the center to the edge of the concentric circle of the dielectric discharge tube to inject gas. The outer nozzle 143a provides a swirl flow for cooling and isolating plasma at the inner edge of the dielectric discharge tube. An inner nozzle 144a for adjusting a pressure difference is positioned between the central nozzle 145 and the outer nozzle 143a. The inner nozzle 144a may adjust a pressure difference in the radial direction of the dielectric discharge tube.

상기 내측 노즐(143a) 및 외측 노즐(144a)은 이산화탄소를 주성분으로 하는 가스를 토출하여 스월 유동을 제공할 수 있다. 상기 중심 노즐(145)은 반응을 위한 가스(예를 들어, 매탄을 주성분으로 하는 가스)를 토출할 수 있다.The inner nozzle 143a and the outer nozzle 144a may provide a swirl flow by discharging a gas containing carbon dioxide as a main component. The central nozzle 145 may discharge a gas for reaction (eg, a gas containing methane as a main component).

상기 스월 발생부(140)와 유도 코일(120)은 서로 수 센치 이상 이격되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 스월 발생부(140)와 유도 코일(120) 사이의 거리가 상기 스월 발생부(140)의 가열을 억제하기 위하여 충분히 이격된 경우, 스월 유동은 플라즈마가 발생하는 영역까지 지속되지 않을 수 있다. 즉, 스월 유동을 유도 코일이 배치된 영역까지 지속하기 위하여 스월 가이드(112)가 배치된다.The swirl generator 140 and the induction coil 120 may be disposed to be separated from each other by several centimeters or more. In this case, when the distance between the swirl generation unit 140 and the induction coil 120 is sufficiently separated to suppress heating of the swirl generation unit 140, the swirl flow does not continue to the plasma generation region. I can. That is, the swirl guide 112 is disposed to continue the swirl flow to the region where the induction coil is disposed.

상기 스월 가이드(112)는 원통 형상이고, 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 삽입되어 배치되어 동심 구조를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 스월 가이드(112)는 상기 스월 발생부(140)에 장착되고 상기 유전체 방전 튜브(112)의 중심축 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 유전체 방전 튜브와 상기 스월 가이드 사이에 공급된 방위각 속도 성분을 가지는 유체는 안정적으로 스월 유동을 제공할 수 있다. 상기 스월 가이드(112)는 유도 코일에 의하여 플라즈마가 발생하는 방전 영역에 도달하지 않도록 짧을 수 있다. 상기 스월 가이드(112)가 방전 영역으로 연장되는 경우, 플라즈마는 상기 스월 가이드(112)를 열적으로 손상시킬 수 있다. 상기 스월 가이드(112)는 쿼츠, 세라믹, 사파이어와 같은 유전체 재질일 수 있다. 또한, 상기 스월 가이드(112)와 상기 유전체 방전 튜브(110)는 그 중심축이 일치하는 동심 구조를 가질 수 있다. 상기 스월 가이드(112)는 외측 노즐에 의한 외측 스월 유동과 상기 내측 노즐에 의한 내측 스월 유동을 안정적으로 형성하도록 마찰력을 제공할 수 있다. 또한, 상기 스월 가이드(112)는 가장자리의 가스 흐름을 원하는 대로 유도하는 가이드 역할, 및 플라즈마가 가스 노즐의 도체 표면으로 노출되는 것을 줄이는 역할을 한다. 상기 스월 가이드가 없는 경우, 안정적인 플라즈마 유지가 어렵다.The swirl guide 112 may have a cylindrical shape, and may be inserted and disposed at one end of the dielectric discharge tube to form a concentric structure. Specifically, the swirl guide 112 may be mounted on the swirl generator 140 and extend in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube 112. Accordingly, the fluid having an azimuth velocity component supplied between the dielectric discharge tube and the swirl guide can stably provide a swirl flow. The swirl guide 112 may be short so as not to reach a discharge region in which plasma is generated by an induction coil. When the swirl guide 112 extends to the discharge area, plasma may thermally damage the swirl guide 112. The swirl guide 112 may be made of a dielectric material such as quartz, ceramic, or sapphire. In addition, the swirl guide 112 and the dielectric discharge tube 110 may have a concentric structure in which their central axes coincide. The swirl guide 112 may provide frictional force to stably form an outer swirl flow by an outer nozzle and an inner swirl flow by the inner nozzle. In addition, the swirl guide 112 serves as a guide for guiding the gas flow at the edge as desired, and serves to reduce exposure of plasma to the conductor surface of the gas nozzle. Without the swirl guide, it is difficult to maintain stable plasma.

상기 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브의 내벽을 따라 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 배치되고 스월 유동을 제공하는 외측 노즐(143a); 및 외측 노즐의 내측에 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 배치되고 스월 유동을 제공하는 내측 노즐(144a)을 포함할 수 있다. 스윌 가이드(112)는 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브(110) 의 길이 방향으로 연장되는 유전체 재질의 원통 형상을 가질 수 있다.The swirl generator 140 includes an outer nozzle 143a that is periodically disposed on a circumference of a certain radius along the inner wall of the dielectric discharge tube and provides a swirl flow; And an inner nozzle 144a that is periodically disposed on a circumference of a certain radius inside the outer nozzle and provides a swirl flow. The swirl guide 112 may be disposed between the inner nozzle and the outer nozzle, and may have a cylindrical shape made of a dielectric material extending in a longitudinal direction of the dielectric discharge tube 110.

구체적으로, 상기 스월 발생부(140)는 원통좌표계에서 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 결합하고 복수의 외측 노즐(143a)을 포함하는 외측 인젝터부(245); 상기 외측 인젝터부(245)와 결합하여 외측 버퍼 공간(143b)을 제공하는 외측 지지부(244); 상기 외측 지지부와 결합하여 상기 외측 버퍼 공간(143b)을 밀폐하는 외측 밀폐부(243); 상기 외측 밀폐부(243)의 내측에 삽입되고 내측 버퍼 공간(144b)을 제공하는 내측 지지부(242); 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 내측 지지부(242)에 삽입되어 상기 내측 버퍼 공간을 밀폐하고 복수의 내측 노즐(144a)을 포함하는 내측 인젝터부(248)를 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐(143a)은 상기 외측 버퍼 공간(143b)에 연결되고, 상기 내측 노즐(144a)은 상기 내측 버퍼 공간(144b)에 연결될 수 있다.Specifically, the swirl generator 140 provides an azimuth component flow velocity in a cylindrical coordinate system, is coupled to one end of the dielectric discharge tube, and includes an outer injector unit 245 including a plurality of outer nozzles 143a; An outer support part 244 coupled with the outer injector part 245 to provide an outer buffer space 143b; An outer sealing portion (243) coupled with the outer support portion to seal the outer buffer space (143b); An inner support part 242 inserted into the outer sealing part 243 and providing an inner buffer space 144b; It may include an inner injector part 248 including a plurality of inner nozzles 144a by providing a flow velocity of a component in an azimuth direction and being inserted into the inner support part 242 to seal the inner buffer space. The outer nozzle 143a may be connected to the outer buffer space 143b, and the inner nozzle 144a may be connected to the inner buffer space 144b.

외측 인젝터부(245)는 일정한 반경의 원주 상에 배치된 복수의 외측 노즐을 포함한다. 상기 외측 노즐들(143a)은 상기 유전체 방전 튜브의 내측에 일정간 주기를 가지고 배열된다. 상기 외측 인젝터부(245)는 다면이 사각형인 링 형상이고, 상기 링 형상의 외측에 중심축 방향으로 연장된 부위를 가질 수 있다. 상기 연장된 부위는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 외측면을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 외측 인젝터부(245)는 외측 지지부(244)와 결합한다.The outer injector part 245 includes a plurality of outer nozzles disposed on a circumference of a predetermined radius. The outer nozzles 143a are arranged inside the dielectric discharge tube at a predetermined period. The outer injector part 245 may have a ring shape having a quadrangular face, and may have a portion extending in the direction of a central axis outside the ring shape. The extended portion may be disposed to surround the outer surface of the dielectric discharge tube 110. The outer injector part 245 is coupled to the outer support part 244.

외측 지지부(244)는 상기 외측 인젝터부(245)의 외측면을 감싸도록 배치되고, 상기 상기 외측 지지부(244)는 상기 외측 버퍼 공간(143b)을 형성하기 위한 일정한 반경의 원주 상에 배치된 함몰부를 포함할 수 있다. 상기 외측 버퍼 공간(143b)은 상기 외측 노즐(143a)과 연결되고, 상기 외측 노즐(143a)은 헬리칼 방향으로 진행하면서 스월 유동을 제공한다. The outer support part 244 is disposed to surround the outer surface of the outer injector part 245, and the outer support part 244 is recessed disposed on a circumference of a certain radius to form the outer buffer space 143b. May contain wealth. The outer buffer space 143b is connected to the outer nozzle 143a, and the outer nozzle 143a provides swirl flow while proceeding in a helical direction.

외측 밀폐부(243)는 상기 외측 지지부(244)의 하부면에 배치되고, 상기 외측 버퍼 공간(143b)을 밀폐하도록 결합한다. 상기 외측 밀폐부(243)는 가스 라인을 통하여 가스가 진행하는 가스 통로를 포함할 수 있다. 상기 가스 통로는 상기 외측 버퍼 공간(143b)에 연결될 수 있다.The outer sealing part 243 is disposed on the lower surface of the outer support part 244 and is coupled to seal the outer buffer space 143b. The outer sealing part 243 may include a gas passage through which gas proceeds through a gas line. The gas passage may be connected to the outer buffer space 143b.

내측 지지부(242)는 상기 외측 밀폐부(243)의 내측에 삽입되도록 배치된다. 또한, 상기 내측 지지부(242)는 상기 외측 밀폐부(243)의 하부면에 배치된다. 이에 따라, 상기 내측 지지부(243)는 직경이 큰 원기둥 형상의 몸체부와 상기 몸체부의 중심에서 연장되는 직경이 작은 원기둥 형상의 연장부를 포함할 수 있다. 상기 연장부의 외측면과 상기 외측 지지부(244)의 내측면 사이에는 상기 스월 가이드(112)의 일단이 배치될 수 있다. 상기 내측 지지부(242)의 일단은 원기둥 형상의 함몰부위를 포함하고, 상기 내측 인젝터부(248)는 상기 함몰부위에 삽입되어 배치된다. 상기 내측 지지부(242)의 연장부의 일단은 턱을 가지고 일정한 반경의 원주 상에 함몰된 구조를 포함하고, 상기 함몰된 구조는 상기 내측 버퍼 공간(144b)을 제공할 수 있다. 상기 내측 버퍼 공간(144b)은 상기 내측 인젝터부(248)에 의해 밀폐된다.The inner support part 242 is disposed to be inserted into the outer sealing part 243. In addition, the inner support part 242 is disposed on the lower surface of the outer sealing part 243. Accordingly, the inner support 243 may include a cylindrical body portion having a large diameter and a cylindrical extension portion having a small diameter extending from the center of the body portion. One end of the swirl guide 112 may be disposed between the outer surface of the extension part and the inner surface of the outer support part 244. One end of the inner support portion 242 includes a cylindrical recessed portion, and the inner injector portion 248 is inserted and disposed in the recessed portion. One end of the extension portion of the inner support part 242 may include a structure recessed on a circumference of a predetermined radius with a jaw, and the recessed structure may provide the inner buffer space 144b. The inner buffer space 144b is sealed by the inner injector part 248.

내측 인젝터부(248)는 일정한 반경 상에 배치된 복수의 상기 내측 노즐(144a)을 포함하고, 상기 내측 노즐(144a)은 상기 내측 버퍼 공간(144b)에 연결된다. 상기 내측 버퍼 공간(144b)은 외부의 가스 라인을 통하여 상기 내측 지지부(242)를 관통하는 유체 통로와 연결될 수 있다.The inner injector part 248 includes a plurality of the inner nozzles 144a disposed on a predetermined radius, and the inner nozzle 144a is connected to the inner buffer space 144b. The inner buffer space 144b may be connected to a fluid passage passing through the inner support part 242 through an external gas line.

중심 인젝터부(247)는 상기 내측 인젝터(242)의 중심축에 삽입될 수 있다. 상기 중심 인젝터부(247)는 하나의 중심 노즐(145)을 포함할 수 있다. 상기 중심 인젝터부(247)의 중심 노즐(145)은 상기 내측 지지부(242)와 상기 내측 인젝터부(248) 사이의 중심축 상에 형성된 중심 버퍼 공간(145b)에 연결될 수 있다. 하부 지지부(241)는 상기 내측 지지부(242)의 하부면에 장착될 수 있다. 상부 지지부(246)은 상기 외측 지지부(244) 상에 배치되어, 상기 외측 인젝터(244)에 배치되는 오링을 압박하여 밀봉을 유지할 수 있다.The central injector part 247 may be inserted into the central axis of the inner injector 242. The central injector part 247 may include one central nozzle 145. The central nozzle 145 of the central injector part 247 may be connected to a central buffer space 145b formed on a central axis between the inner support part 242 and the inner injector part 248. The lower support part 241 may be mounted on the lower surface of the inner support part 242. The upper support part 246 may be disposed on the outer support part 244 and press the O-ring disposed on the outer injector 244 to maintain the sealing.

또한, 스월 유동의 안정성을 향상시키기 위하여, 보조 스월 발생부(170)가 배치될 수 있다. 상기 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단에 배치되고, 상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 타단에 배치될 수 있다. 상기 스월 발생부(140)와 상기 보조 스월 발생부(170)는 동일한 방향의 스월 유동을 제공하여 안정적인 유동을 제공할 수 있다. In addition, in order to improve the stability of the swirl flow, an auxiliary swirl generator 170 may be disposed. The swirl generator 140 may be disposed at one end of the dielectric discharge tube 110, and the auxiliary swirl generator 170 may be disposed at the other end of the dielectric discharge tube 110. The swirl generation unit 140 and the auxiliary swirl generation unit 170 may provide a swirl flow in the same direction to provide a stable flow.

상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 내직경과 같은 내경을 가진 토로이드 형상일 수 있다. 따라서, 스월 유동은 상기 보조 스월 발생부(170)에 의하여 방해받지 않고 안정적으로 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심축 방향으로 진행할 수 있다.The auxiliary swirl generator 170 may have a toroidal shape having an inner diameter equal to the inner diameter of the dielectric discharge tube 110. Accordingly, the swirl flow can stably proceed in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube 110 without being disturbed by the auxiliary swirl generator 170.

한편, 상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 스월 발생부(140)가 제공하는 스월 유동의 회전 방향과 동일한 회전 방향의 스월 유동을 추가적으로 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 스월 발생부(170)는 스월 유동의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 보조 스월 발생부(170)가 제공하는 가스의 주성분은 메탄과 같은 흡열 반응에 참여하는 가스일 수 있다. 구체적으로, 상기 스월 발생부(140)는 이산화탄소와 같은 발열 반응의 가스를 제공하여, 플라즈마에 의하여 발생된 열은 상기 보조 스월 발생부(170)가 제공하는 메탄의 흡열 반응을 동작시킬 수 있다. 흡열 반응 가스와 발열 반응 가스의 투입 위치를 서로 이격시켜, 방전 안정성 및 반응 효율을 증가시킬 수 있다.Meanwhile, the auxiliary swirl generation unit 170 may additionally provide a swirl flow in the same rotation direction as the rotation direction of the swirl flow provided by the swirl generation unit 140. Accordingly, the auxiliary swirl generator 170 may improve the stability of the swirl flow. In addition, the main component of the gas provided by the auxiliary swirl generator 170 may be a gas that participates in an endothermic reaction such as methane. Specifically, the swirl generator 140 may provide a gas of an exothermic reaction such as carbon dioxide, so that heat generated by the plasma may operate an endothermic reaction of methane provided by the auxiliary swirl generator 170. Discharge stability and reaction efficiency can be increased by separating the injection positions of the endothermic reaction gas and the exothermic reaction gas from each other.

[가스 투입 위치][Gas input location]

플라즈마에 의한 가스 분해 시 CH4의 투입 위치 및 유량은 매우 중요한 문제이다. CH4는 적당한 온도 (930 K) 이상에서 쉽게 탄소와 수소 가스로 분리되는 흡열반응을 수행할 수 있다. 메탄(CH4)는 전자를 쉽게 흡수하는 경향이 있어서 농도가 높아지면 플라즈마의 저항을 낮추고 방전을 약하게 만든다. 따라서 플라즈마 발생 영역을 지난 이후, 플라즈마 꼬리 부분의 높은 열을 가진 부분에서 CH4 가스가 상기 보조 스월 발생부(170)에 의하여 투입되면, CH4 가스는 열을 재회수하여 탄소로 분리되며, 분해된 탄소는 CO2로부터 분리된 산소 원자와 결합하여 일산화 탄소를 생성할 수 있다. 이 때 재회수한 열에 의하여 효율이 증가하며 방전 또한 개선될 수 있다. In gas decomposition by plasma, the location and flow rate of CH4 are very important issues. CH4 can easily undergo an endothermic reaction that is separated into carbon and hydrogen gas at an appropriate temperature (930 K) or higher. Methane (CH4) tends to absorb electrons easily, so increasing the concentration lowers the resistance of the plasma and weakens the discharge. Therefore, after passing through the plasma generation region, when CH4 gas is introduced by the auxiliary swirl generator 170 in the portion with high heat of the plasma tail, the CH4 gas is separated into carbon by recovering the heat again, and the decomposed carbon Can combine with oxygen atoms separated from CO2 to produce carbon monoxide. At this time, the efficiency is increased by the recovered heat, and the discharge can also be improved.

스월 발생부(140)는 유전체 방전 튜브(110)의 일단에 장착될 수 있다. 보조 스월 발생부(170)는 상기 유전체 방전 튜브(170)의 타단에 배치될 수 있다. 가스는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단으로부터 소용돌이를 일으키며 상기 유전체 방전 튜브(110)의 타단으로 이동할 수 있다. 플라즈마가 발생하는 방전 영역을 이산화탄소가 진행함에 따라, 상기 이산화탄소는 분해되어 일산화탄소와 열을 발생시킬 수 있다. 이때 발생된 열은 보조 스월 발생부(170)가 제공하는 메탄을 분해하기 위한 흡열 반응에 사용될 수 있다. 또한, 상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 스월 발생부(140)와 동일한 방향의 소용돌이를 생성하여 안정적인 유동을 제공할 수 있다. 상기 보조 스월 발생부(170)의 노즐 방향은 접선 방향 성분과 중심축 방향을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 스월 발생부(170)가 토출하는 메탄 가스는 안정적으로 소용돌이를 형성하면서 진행할 수 있다.The swirl generator 140 may be mounted on one end of the dielectric discharge tube 110. The auxiliary swirl generator 170 may be disposed at the other end of the dielectric discharge tube 170. The gas may vortex from one end of the dielectric discharge tube 110 and move to the other end of the dielectric discharge tube 110. As carbon dioxide proceeds through the discharge region where plasma is generated, the carbon dioxide may be decomposed to generate carbon monoxide and heat. The heat generated at this time may be used for an endothermic reaction for decomposing methane provided by the auxiliary swirl generator 170. In addition, the auxiliary swirl generation unit 170 may generate a vortex in the same direction as the swirl generation unit 140 to provide a stable flow. The nozzle direction of the auxiliary swirl generator 170 may have a tangential component and a central axis direction. Accordingly, the methane gas discharged by the auxiliary swirl generator 170 may proceed while stably forming a vortex.

상기 보조 스월 발생부(170)는 스월 유동을 제공하는 보조 노즐(173)을 포함할 수 있다. 상기 보조 스월 발생부(170)는 플라즈마 발생 영역의 후단에서 메탄과 같은 탄화수소를 제공할 수 있다. 상기 보조 스월 발생부(170)는 속이 빈 토로이드 형상이고, 복수의 보조 노즐(173)은 보조 버퍼 공간(174)에 연결되고, 상기 보조 노즐(173)의 진행 방향은 원통 좌표계에서 반경 방향 성분 및 방위각 방향 성분을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 노즐(173)을 진행한 가스는 스월 유동을 제공할 수 있다.The auxiliary swirl generator 170 may include an auxiliary nozzle 173 that provides swirl flow. The auxiliary swirl generator 170 may provide a hydrocarbon such as methane at the rear end of the plasma generation region. The auxiliary swirl generator 170 has a hollow toroidal shape, a plurality of auxiliary nozzles 173 are connected to the auxiliary buffer space 174, and the moving direction of the auxiliary nozzle 173 is a radial component in the cylindrical coordinate system. And an azimuth direction component. Accordingly, the gas passing through the auxiliary nozzle 173 may provide a swirl flow.

[냉각 방식][Cooling method]

대기압 열 플라즈마(atmospheric pressure thermal plasma)는 방전 시 강한 열 및 복사열을 외부에 방출한다. 외벽 및 주변 기구물의 열에 의한 파손이 우려되므로 이를 개선하기 위하여 플라즈마 장치는 새로운 구조 및 기능을 구비한다.Atmospheric pressure thermal plasma emits strong heat and radiant heat to the outside during discharge. Since there is a concern about damage due to heat of the outer wall and surrounding equipment, the plasma device has a new structure and function in order to improve this.

상기 유전체 방전 튜브(110)의 외벽과 기구물(또는 스월 발생부, 보조 스월 발생부) 사이를 밀봉하기 위하여 실리콘 오링(O-ring)이 사용될 수 있다. 그러나, 섭씨 300도 이상의 고열에서 상기 오링은 파손되므로 주변부의 냉각이 필요하다. 냉각 링(142)은 상기 스월 발생부의 하부면에 접촉하면서 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 냉각 링(142)은 수냉 자켓( water cooling jacket)일 수 있다. 상기 냉각 링(142)은 냉매에 의하여 냉각될 수 있다. 또한, 보조 냉각 링(171)은 상기 보조 스월 발생부(170)의 상부면에 접촉하면서 상기 유전체 방전 튜브(110)의 타단을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 보조 냉각 링(171)은 냉매에 의하여 냉각될 수 있다.A silicon O-ring may be used to seal between the outer wall of the dielectric discharge tube 110 and a device (or a swirl generator or an auxiliary swirl generator). However, since the O-ring is damaged at a high temperature of 300 degrees Celsius or more, cooling of the periphery is required. The cooling ring 142 may be disposed to surround one end of the dielectric discharge tube 110 while contacting the lower surface of the swirl generator. The cooling ring 142 may be a water cooling jacket. The cooling ring 142 may be cooled by a refrigerant. In addition, the auxiliary cooling ring 171 may be disposed to surround the other end of the dielectric discharge tube 110 while contacting the upper surface of the auxiliary swirl generator 170. The auxiliary cooling ring 171 may be cooled by a refrigerant.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 유전체 방전 튜브(110)를 냉각을 위한 방법으로, 열전도성이 양호한 세라믹 물질은 상기 유도 코일(120)을 몰딩할 수 있다. 상기 유도 코일(120)은 세라믹 페이스트(ceramic paste) 속에 매몰되고, 상기 세라믹 페이스트는 경화되어, 세라믹 블록을 형성할 수 있다. 상기 세라믹 블록은 상기 유도 코일(120)과 이격되고 상기 세라믹 블록에 매몰된 냉각 파이프에 의하여 별도로 냉각될 수 있다. 상기 세라믹 블록은 상기 유전체 방전 튜브(110)와 접촉하여 상기 유전체 방전 튜브(110)를 전도 냉각하도록 몰딩되어 일체형으로 형성될 수 있다. According to a modified embodiment of the present invention, as a method for cooling the dielectric discharge tube 110, a ceramic material having good thermal conductivity may mold the induction coil 120. The induction coil 120 is buried in a ceramic paste, and the ceramic paste is cured to form a ceramic block. The ceramic block may be separately cooled by a cooling pipe spaced apart from the induction coil 120 and buried in the ceramic block. The ceramic block may be molded in contact with the dielectric discharge tube 110 and conduction cooling to cool the dielectric discharge tube 110 so as to be integrally formed.

유전체 방전 튜브(110)의 외부 및 유도 코일은 고열 및 고 전류에 의하여 오존 및 발열 문제가 발생한다. 따라서, 유도 코일(120)을 감싸도록 안전 케이스(190)가 배치된다. 상기 안전 케이스(190)는 밀봉된 원통 형상일 수 있다. 상기 안전 케이스(190)는 공기 입구 와 공기 출구를 포함한다. 공기 입구를 통하여 주입된 가압 공기는 유전체 방전 튜브 및 유도 코일을 냉각을 한다. 배기 설비는 상기 공기 출구로 배출된 공기에서 오존을 격리하여 처리한다. Ozone and heat generation problems occur in the outer and induction coils of the dielectric discharge tube 110 due to high heat and high current. Accordingly, the safety case 190 is disposed to surround the induction coil 120. The safety case 190 may have a sealed cylindrical shape. The safety case 190 includes an air inlet and an air outlet. Pressurized air injected through the air inlet cools the dielectric discharge tube and the induction coil. The exhaust facility treats by sequestering ozone from the air discharged through the air outlet.

유전체 방전 튜브(110)의 타단(유도 코일을 지나 배기되는 지점)에 온도 측정부(196)가 배치될 수 있다. 상기 온도 측정부(196)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 온도를 측정한다. 상기 유전체 방전 튜브의 온도는 내부의 가스 온도에 의존할 수 있다. 측정된 온도는 공정 제어를 위하여 사용될 수 있다. 플라즈마의 경우, 측정 위치를 기준으로 섭씨 350 ~ 600도 를 보이는 경우, 대기압 방전이 안정적으로 유지된다. 이 범위 보다 온도가 낮은 경우, 플라즈마가 불안정해지며 방전이 중지된다. 또한 온도가 너무 높은 경우, 상기 유전체 방전 튜브(110) 및 주변부 기구물이 파손될 수 있다. 따라서, 온도가 너무 높은 경우, 온도를 유지시키기 위하여, 상기 유도 코일에 제공되는 교류 전력 또는 가스 공급 유량이 제어될 수 있다. A temperature measuring unit 196 may be disposed at the other end of the dielectric discharge tube 110 (a point where it is exhausted through the induction coil). The temperature measuring unit 196 measures the temperature of the dielectric discharge tube 110. The temperature of the dielectric discharge tube may depend on the temperature of the gas therein. The measured temperature can be used for process control. In the case of plasma, the atmospheric pressure discharge is stably maintained when 350 to 600 degrees Celsius is shown based on the measurement location. If the temperature is lower than this range, the plasma becomes unstable and discharge stops. In addition, when the temperature is too high, the dielectric discharge tube 110 and peripheral devices may be damaged. Therefore, when the temperature is too high, in order to maintain the temperature, the AC power or gas supply flow rate provided to the induction coil can be controlled.

보조 스월 발생부(170)의 하부에는 보조 챔버(182)에 연결될 수 있다. 상기 보조 챔버는 유전체 재질 또는 금속 재질일 수 있다. 상기 보조 챔버(182)는 매탄-이산화탄소를 이용한 합성 가스의 생산 공정의 경우 반응을 위한 공간을 제공할 수 있다. 상기 보조 챔버(182)의 길이는 수 센치 미터 내지 수 미터일 수 있다. A lower portion of the auxiliary swirl generator 170 may be connected to the auxiliary chamber 182. The auxiliary chamber may be made of a dielectric material or a metal material. The auxiliary chamber 182 may provide a space for reaction in the case of a synthesis gas production process using methane-carbon dioxide. The length of the auxiliary chamber 182 may be several centimeters to several meters.

상기 보조 챔버(182)는 처리 용기(180)에 장착될 수 있다. 상기 처리 용기(180)는 분해된 가스를 사용하거나 또는 분해된 가스 중에서 필요한 가스를 수집하기 위한 후처리(post-process )를 진행할 수 있다.The auxiliary chamber 182 may be mounted on the processing container 180. The processing vessel 180 may use decomposed gas or perform a post-process for collecting necessary gas from the decomposed gas.

[방전 효율 향상용 자성체 구조][Magnetic structure for improving discharge efficiency]

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 자속 감금부를 설명하는 단면도이다.7 is a cross-sectional view illustrating a magnetic flux confinement unit of a plasma device according to an embodiment of the present invention.

도 8은 도 7의 자속 감금부를 설명하는 사시도이다.8 is a perspective view illustrating the magnetic flux confinement portion of FIG. 7.

도 7 및 도 8을 참조하면, 유도 코일(120) 주변에 배치된 자성체 구조물은 자기장을 감금하고, 이로 인하여 플라즈마의 실 저항을 증가시킬 수 있다. 플라즈마와 유도 코일 사이의 결합 효율(coupling efficiency)을 개선시키기 위해서, 유도 코일(120)에 의하여 형성되는 자기장은 플라즈마 내부에 집중될 필요가 있다. Referring to FIGS. 7 and 8, the magnetic structure disposed around the induction coil 120 confines a magnetic field, thereby increasing the actual resistance of the plasma. In order to improve the coupling efficiency between the plasma and the induction coil, the magnetic field formed by the induction coil 120 needs to be concentrated inside the plasma.

자속 감금부(130)는 상기 유도 코일(120)의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자속을 감금하고 자성체로 형성된다. 상기 자속 감금부(130)는 페라이트 재질일 수 있다. 상기 자속 감금부(130)는 상기 유도 코일(120)에 의하여 형성된 자기장에 의하여 히스테리스 손실 및 유도 전류에 의한 열 손실이 발생할 수 있다. 상기 자속 감금부(130)는 쿠리어 온도(Curie Temperature) 이상으로 가열되는 경우, 그 특성을 상실할 수 있다. 이에 따라, 상기 자속 감금부(130)는 열전도성 냉각판에 의하여 열전달되어, 냉각 파이프에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 열전도성 냉각판(132)이 도전판인 경우, 상기 열전도성 냉각판은 유도 전류가 흐르지 않도록 슬릿(132a)을 가질 수 있다. The magnetic flux confinement part 130 is disposed around the induction coil 120 to confine the magnetic flux generated by the induction coil and is formed of a magnetic material. The magnetic flux confinement part 130 may be made of a ferrite material. The magnetic flux confinement part 130 may generate hysteresis loss and heat loss due to an induced current due to a magnetic field formed by the induction coil 120. When the magnetic flux confinement part 130 is heated above the Curie Temperature, its characteristics may be lost. Accordingly, the magnetic flux confinement unit 130 may be heat transferred by a thermally conductive cooling plate and cooled by a cooling pipe. When the thermally conductive cooling plate 132 is a conductive plate, the thermally conductive cooling plate may have a slit 132a so that an induced current does not flow.

상기 자속 감금부(130)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심축에 대하여 수직한 평면에서 대칭적으로 배치되는 복수의 자성체 블록(130a)을 포함할 수 있다. 상기 자성체 블록(130a)은 상기 유도 코일(120)의 외측면, 상부면, 및 하부면을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 자속체 블록(130a)는 페라이트 재질로 형성될 수 있다. 상기 자속 감금부(130)는 자기장 또는 자속을 감금시켜 결합 효율을 증가시키는 것이 가능하다. 상기 자속 감금부(130)를 적용하지 않은 경우에 비하여, 상기 자속 감금부(130)를 적용한 경우, 플라즈마 실저항이 50% 증가한 것을 확인할 수 있다. 플라즈마의 실저항이 증가하면 동일 전력을 전달하기 위하여 필요한 전류의 크기가 감소하며, 효율(실재 플라즈마에 투입되는 전력의 비율) 또한 개선된다.The magnetic flux confinement part 130 may include a plurality of magnetic blocks 130a symmetrically disposed in a plane perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube 110. The magnetic block 130a may be disposed to surround an outer surface, an upper surface, and a lower surface of the induction coil 120. The magnetic flux body block 130a may be formed of a ferrite material. The magnetic flux confinement unit 130 may confine a magnetic field or a magnetic flux to increase coupling efficiency. Compared to the case where the magnetic flux confinement part 130 is not applied, it can be seen that the plasma actual resistance is increased by 50% when the magnetic flux confinement part 130 is applied. When the actual resistance of the plasma increases, the amount of current required to transmit the same power decreases, and the efficiency (a ratio of the actual power input to the plasma) is also improved.

*상기 자성체 블록(130a)은 단면이 "[" 형태이고, 길이 방향으로 연장될 수 있다. 상기 자성체 블록(130a)은 다층 구조의 유도 코일(120)을 감싸도록 삽입되고, 상기 자성체 블록(130a)은 유도 코일(120)의 중심축에 대하여 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 자성체 블록(130)의 개수를 증가시키는 경우, 자속 감금 효율은 증가하나, 페라이트에 의한 자체 저항(히스테리시스 손실)이 증가하며, 상기 인덕턴스가 증가할 수 있다.* The magnetic block 130a has a "[" shape in cross section and may extend in a length direction. The magnetic block 130a may be inserted to surround the induction coil 120 having a multilayer structure, and the magnetic block 130a may be symmetrically disposed with respect to a central axis of the induction coil 120. When the number of magnetic blocks 130 is increased, magnetic flux confinement efficiency increases, but self-resistance (hysteresis loss) due to ferrite increases, and the inductance may increase.

상기 자속 감금부(130)는 상기 유도 코일(120)을 감싸도록 배치된 자성체 블록(130a); 상기 자성체 블록(130a)에 접촉하여 상기 자성체 블록(130a)의 열을 전달하도록 상기 자성체 블록(130a)의 외측면에 배치된 열전도 판(132);및 상기 열전도 판에 고정되어 상기 열전도판을 냉각하는 냉각 파이프(134)를 포함할 수 있다. 상기 열전도판(132)은 상기 유도 코일(120)에 의하여 발생하는 유도 전류의 흐름을 차단하는 슬릿(132a)을 포함할 수 있다. 상기 열전도판(132)은 도전체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 열전도판(132)과 상기 자성체 블록(130a)는 열전도성 페이스트(133)에 의하여 고정될 수 있다.The magnetic flux confinement part 130 may include a magnetic block 130a disposed to surround the induction coil 120; A heat conduction plate 132 disposed on an outer surface of the magnetic block 130a to transfer heat from the magnetic block 130a by contacting the magnetic block 130a; And it is fixed to the heat conduction plate to cool the heat conduction plate. It may include a cooling pipe (134). The heat conduction plate 132 may include a slit 132a that blocks the flow of an induced current generated by the induction coil 120. The heat conduction plate 132 may be formed of a conductor. In addition, the heat conductive plate 132 and the magnetic block 130a may be fixed by a heat conductive paste 133.

본 발명의 변형된 실시예에 따른 상기 자속 감금부는 상기 유도 코일의 외측면, 상부면을, 및 하부면을 감싸도록 배치되고, 내측면이 개방된 토로이드 형상일 수 있다.The magnetic flux confinement unit according to a modified embodiment of the present invention may be disposed to surround an outer surface, an upper surface, and a lower surface of the induction coil, and may have a toroidal shape with an open inner surface.

[초기 방전 구조][Initial discharge structure]

US 7,622,694을 참조하면, 초기 방전을 위하여 초고주파 플라즈마가 사용된다. 초고주파 플라즈마 방전은 도파관과 같은 복잡한 기구적 구조물을 필요로 하고, 도파관과 방전 공간을 분리하는 유전체판은 초고주파 플라즈마에 의하여 쉽게 파손된다.Referring to US 7,622,694, an ultra-high frequency plasma is used for initial discharge. Ultrahigh frequency plasma discharge requires a complex mechanical structure such as a waveguide, and the dielectric plate separating the waveguide and the discharge space is easily damaged by the ultrahigh frequency plasma.

US 7,578,937을 참조하면, 초기 방전을 위하여 카본 아크 방전이 사용된다. 그러나, 방전 공간 배부에 한 쌍의 카본 전극이 배치됨에 따라, 카본 전극의 지지 구조가 복잡하여, 카본 전극의 고열 및 플라즈마에 의하여 쉽게 파손된다. 특히, 카본 전극은 CF4 와 CO2 방전시, 산소와 결합하여 소모된다. 따라서, 새로운 초기 방전 구조가 요구된다.Referring to US 7,578,937, carbon arc discharge is used for initial discharge. However, as a pair of carbon electrodes are disposed in the distributing portion of the discharge space, the supporting structure of the carbon electrode is complicated, and it is easily damaged by high heat and plasma of the carbon electrode. In particular, the carbon electrode is consumed by combining with oxygen when discharging CF4 and CO2. Therefore, a new initial discharge structure is required.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초기 방전 발생부(150)는 상기 유전체 방전 튜브의 주위에 배치되어 초기 방전을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, the initial discharge generator 150 is disposed around the dielectric discharge tube to provide an initial discharge.

다시, 도 3을 참조하면, 상기 초기 방전 발생부(150)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 외측면에 배치된 적어도 한 쌍의 초기 방전 전극(151); 및 상기 한 쌍의 초기 방전 전극(151) 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원부(129); 포함한다. Again, referring to FIG. 3, the initial discharge generator 150 includes at least a pair of initial discharge electrodes 151 disposed on the outer surface of the dielectric discharge tube 110; And a DC power supply unit 129 for applying a DC high voltage between the pair of initial discharge electrodes 151. Includes.

상기 초기 방전 전극(151)은 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심축 방향으로 상기 유도 코일(120)을 사이에 두고 서로 이격되어 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 초기 방전 전극(151)은 상기 유전체 방전 튜브(110)의 외측면에 접촉하여 상기 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있다. 상기 DC 전원부(152)는 상기 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치된 한 쌍의 초기 방전 전극에 DC 고전압을 인가할 수 있다. 상기 DC 전원부(152)는 수 kHz 내지 수 십 kHz 대역의 고전압 펄스 전압을 인가할 수 있다. The initial discharge electrodes 151 may be disposed to be spaced apart from each other in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube 110 with the induction coil 120 interposed therebetween. Specifically, the initial discharge electrode 151 may be disposed above and below the induction coil 120 in contact with the outer surface of the dielectric discharge tube 110. The DC power supply unit 152 may apply a DC high voltage to a pair of initial discharge electrodes disposed above and below the induction coil 120, respectively. The DC power supply unit 152 may apply a high voltage pulse voltage of several kHz to several tens of kHz.

[열 교환용 중심 보조 유전체 튜브][Center auxiliary dielectric tube for heat exchange]

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 도면이다.9 is a diagram illustrating a plasma device according to another embodiment of the present invention.

도 3 및 도 9를 참조하면, 보조 유전체 튜브(114)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심에 배치될 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(114)의 내부에는 가스가 진행할 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(114)는 원통 형상이고, 쿼츠, 세라믹, 알루미나, 또는 사파이어일 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브는 플라즈마에 의하여 생성된 열을 전달받아 가스 분해반응에 사용할 수 있다. 이에 따라, 열효율이 상승할 수 있다. 3 and 9, the auxiliary dielectric tube 114 may be disposed at the center of the dielectric discharge tube 110. Gas may travel inside the auxiliary dielectric tube 114. The auxiliary dielectric tube 114 has a cylindrical shape, and may be quartz, ceramic, alumina, or sapphire. The auxiliary dielectric tube may receive heat generated by plasma and use it for a gas decomposition reaction. Accordingly, thermal efficiency may increase.

CH4를 플라즈마에 통과시키는 경우, 방전이 약해지며 플라즈마 실저항이 감소한다. 이를 개선하기 위하여 중심 노즐에서 배출되는 가스의 투입 위치를 유도 코일 이후로 옮기는 구조를 적용하였다.When CH4 is passed through the plasma, the discharge weakens and the actual plasma resistance decreases. To improve this, a structure in which the injection position of the gas discharged from the central nozzle is moved after the induction coil is applied.

보조 유전체 튜브(114)는 원통 형상이고, 상기 보조 유전체 튜브(114) 내에 중심 노즐(145)이 방출하는 가스가 진행할 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(114)의 일단은 상기 스월 발생부(140)의 중심에 결합하고, 상기 보조 유전체 튜브(114)의 타단은 플라즈마가 발생하는 방전 영역 이후에 배치된다. The auxiliary dielectric tube 114 has a cylindrical shape, and a gas discharged from the central nozzle 145 may proceed in the auxiliary dielectric tube 114. One end of the auxiliary dielectric tube 114 is coupled to the center of the swirl generator 140, and the other end of the auxiliary dielectric tube 114 is disposed after a discharge region in which plasma is generated.

외측 노즐(143a)에서 나오는 CO2는 플라즈마 방전에 이용되며, 상기 CO2는 플라즈마로부터 에너지를 제공받아 분해되어 CO와 산소원자, 그리고 열로 전환된다. 그리고 상기 보조 유전체 튜브(114)를 통과하여 유도 코일(120)의 배치 영역 이후로 분출되는 CH4는 상기 보조 유전체 튜브(114)를 통과하면서 플라즈마로부터 방출되는 열을 흡수하여 탄소와 수소 분자로 분리되며 플라즈마 방전 자체에는 갑섭을 하지 않는다. 그리고 보조 유전체 튜브(114)를 지난 후 분출된 탄소원자와 외부에 존재하는 산소원자가 반응하여 일산화 탄소가 생성된다. 이 구조의 장점은 CH4 가 플라즈마를 간섭하여 방전이 저하되지 않는다는 점이다. 또한, 전자(electron)의 에너지를 CH4가 뺏지 않고 주변으로 낭비되는 열을 이용하기 때문에 효율이 향상된다는 점이다.CO2 from the outer nozzle 143a is used for plasma discharge, and the CO2 is decomposed by receiving energy from the plasma and converted into CO, oxygen atoms, and heat. In addition, CH4 that passes through the auxiliary dielectric tube 114 and is ejected after the arrangement area of the induction coil 120 absorbs heat emitted from the plasma while passing through the auxiliary dielectric tube 114 and is separated into carbon and hydrogen molecules. Don't be afraid of plasma discharge itself. In addition, after passing through the auxiliary dielectric tube 114, carbon monoxide is generated by reacting the ejected carbon atom with the oxygen atom existing outside. The advantage of this structure is that CH4 interferes with the plasma, so that the discharge does not decrease. In addition, since CH4 does not take away the energy of electrons and uses heat wasted around the environment, efficiency is improved.

보조 유전체 튜브(114)를 적용한 경우, CH4 투입 전후의 플라즈마 실저항이 감소된다. CH4-CO2 혼합 가스(mixing gas)를 바로 플라즈마에 투입시키는 경우 실저항이 30 % 감소한다. 그러나, 보조 유전체 튜브(114)를 적용한 경우, CH4 투입 전후에 플라즈마의 저항이 저의 변화가 없다. 따라서, 안정적인 플라즈마 방전이 유지된다. When the auxiliary dielectric tube 114 is applied, the actual plasma resistance before and after CH4 is introduced is reduced. When a CH4-CO2 mixing gas is directly injected into the plasma, the actual resistance decreases by 30%. However, when the auxiliary dielectric tube 114 is applied, there is no change in the resistance of the plasma before and after CH4 is introduced. Thus, stable plasma discharge is maintained.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.10 is a diagram showing an experiment result of a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 도 3의 플라즈마 장치가 사용되었다. 압력이 대기압(760 Torr)으로 증가함에 따라, 플라즈마 저항은 급격히 감소한다. 플라즈마 저항이 감소되면, 교류 전원부는 많은 전류를 흘려야 한다. 따라서, 플라즈마 저항이 감소하는 경우, 플라즈마 장치는 실질적으로 동작하기 어렵다. Referring to FIG. 10, the plasma device of FIG. 3 was used. As the pressure increases to atmospheric pressure (760 Torr), the plasma resistance rapidly decreases. When the plasma resistance is reduced, the AC power supply unit must pass a large amount of current. Therefore, when the plasma resistance decreases, the plasma device is practically difficult to operate.

자속 감금부(130)를 사용한 경우의 플라즈마 저항은 사각형으로 표시된다. 2 병렬 적층구조의 유도 코일이 사용된 경우의 플라즈마 저항은 삼각형으로 표시된다. 한편, 적층 구조의 유도 코일만이 사용된 경우의 플라즈마 저항은 원형으로 표시된다. When the magnetic flux confinement part 130 is used, the plasma resistance is indicated by a square. 2 Plasma resistance when an induction coil of parallel stack structure is used is indicated by a triangle. On the other hand, when only the induction coil of the laminated structure is used, the plasma resistance is indicated by a circle.

적층 구조의 유도 코일을 사용함에 따라, 플라즈마 방전이 가능하다. 또한, 병렬 구조를 채용함에 따라, 플라즈마 저항의 증가로 플라즈마 방전 안정성이 향상되고, 또한, 자속 감금부를 사용하는 경우, 플라즈마 저항의 증가로 플라즈마 방전 안정성이 향상된다.Plasma discharge is possible by using a stacked induction coil. Further, as the parallel structure is employed, plasma discharge stability is improved due to an increase in plasma resistance, and when a magnetic flux confinement unit is used, plasma discharge stability is improved due to an increase in plasma resistance.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.11 is a diagram showing an experiment result of a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 9 및 도 11을 참조하면, 적층 구조의 유도 코일 및 보조 유전체 튜브(114)을 사용한 실험 결과이다. 보조 유전체 튜브(114)를 통한 CH4의 투입 전후의 플라즈마 실 저항이 표시된다.Referring to FIGS. 9 and 11, results of experiments using an induction coil having a laminated structure and an auxiliary dielectric tube 114 are used. Plasma chamber resistance before and after the input of CH4 through the auxiliary dielectric tube 114 is displayed.

보조 유전체 튜브(114)를 통한 CH4를 투입하지 않는 경우, CH4-CO2 혼합 가스를 바로 플라즈마로 투입하는 경우, 플라즈마 실저항이 30% 감소한다. When CH4 is not injected through the auxiliary dielectric tube 114, when the CH4-CO2 mixed gas is directly injected into the plasma, the actual plasma resistance is reduced by 30%.

그러나, 보조 유전체 튜브(114)를 통한 CH4를 투입하는 경우, CH4의 투입 전후의 플라즈마 실 저항은 거의 변하지 않는다. 따라서, 보조 유전체 튜브를 통한 메탄 가스의 공급은 방전 안정성 및 공정 능력을 향상시킨다.However, when CH4 is introduced through the auxiliary dielectric tube 114, the plasma seal resistance before and after the introduction of CH4 is hardly changed. Therefore, supply of methane gas through the auxiliary dielectric tube improves discharge stability and process capability.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.In the above, the present invention has been illustrated and described with respect to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments, and the present invention claimed in the claims by one of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. It includes all various types of embodiments that can be implemented within the scope not departing from the technical idea.

110: 유전체 방전 튜브
120: 유도 코일
130: 자속 감금부
140: 스월 발생부
150: 초기 방전 발생부
170: 보조 스월 발생부110: dielectric discharge tube
120: induction coil
130: magnetic flux confinement unit
140: swirl generation unit
150: initial discharge generator
170: auxiliary swirl generation unit

Claims (19)

유전체 방전 튜브;
가스를 공급받아 상기 유전체 방전 튜브 내에 스월(swirl) 유동을 제공하는 스월 발생부;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 열(thermal) 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부; 를 포함하고,
상기 유전체 방전 튜브의 주위에 배치되어 초기 방전을 제공하는 초기 방전 발생부를 더 포함하고,
상기 스월 발생부는:
상기 유전체 방전 튜브의 내벽을 따라 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 외측 노즐;
외측 노즐의 내측에 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 내측 노즐; 및
상기 스월 발생부의 중심에 스월없이 가스를 주입하는 중심 노즐을 포함하고,
상기 초기 방전 발생부는:
상기 유전체 방전 튜브의 외측면을 따라 배치되는 한 쌍의 초기 방전 전극;
한 쌍의 상기 초기 방전 전극 사이에 고전압을 인가하는 고전압 DC 전원;을 포함하고,
상기 고전압 DC 전원은 수 kHz 내지 수 십 kHz 대역의 고전압 펄스 전압을 인가하고,
한 쌍의 상기 초기 방전 전극은 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 상기 유도 코일을 사이에 두고 서로 이격되어 배치되고,
상기 열(thermal) 플라즈마는 이산화탄소 및 메탄을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 대기압 또는 대기압 이상에서 생성하고,
상기 중심 노즐은 반응을 위한 메탄을 토출하고,
상기 내측 노즐 및 외측 노즐은 이산화탄소를 토출하여 스월 유동을 제공하고,
상기 교류 전원부는 가변 주파수 전원이고,
상기 가스의 유량은 분당 수십 리터 내지 수백 리터인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.Dielectric discharge tube;
A swirl generator for receiving gas and providing a swirl flow in the dielectric discharge tube;
An induction coil disposed to surround the dielectric discharge tube to generate an induced electric field to generate a thermal plasma; And
An AC power supply for supplying power to the induction coil; Including,
Further comprising an initial discharge generator disposed around the dielectric discharge tube to provide an initial discharge,
The swirl generator:
An outer nozzle formed to have a tangential component periodically on a circumference of a certain radius along the inner wall of the dielectric discharge tube to provide a swirl flow;
An inner nozzle formed to have a tangential component periodically on a circumference of a certain radius inside the outer nozzle to provide a swirl flow; And
Including a central nozzle for injecting gas without a swirl at the center of the swirl generator,
The initial discharge generator:
A pair of initial discharge electrodes disposed along an outer surface of the dielectric discharge tube;
Includes; a high voltage DC power supply for applying a high voltage between the pair of initial discharge electrodes,
The high voltage DC power supply applies a high voltage pulse voltage in the band of several kHz to several tens of kHz,
The pair of initial discharge electrodes are disposed to be spaced apart from each other in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube with the induction coil interposed therebetween,
The thermal plasma generates syngas containing hydrogen and carbon monoxide at atmospheric pressure or above atmospheric pressure by receiving carbon dioxide and methane,
The central nozzle discharges methane for reaction,
The inner and outer nozzles discharge carbon dioxide to provide swirl flow,
The AC power supply unit is a variable frequency power supply,
Plasma apparatus, characterized in that the flow rate of the gas is several tens of liters to several hundred liters per minute. 제1 항에 있어서,
상기 교류 전원부의 주파수는 100 kHz 내지 4 MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
Plasma apparatus, characterized in that the frequency of the AC power supply is 100 kHz to 4 MHz. 제1 항에 있어서,
상기 유도 코일은 복수의 다층 구조 유도 코일인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
The plasma device, wherein the induction coil is a plurality of multi-layered induction coils. 제1 항에 있어서,
상기 유전체 방전 튜브의 일단에 삽입되어 배치되고 동심 구조를 형성하는 스월 가이드를 더 포함하고,
상기 스월 가이드는 상기 스월 발생부에 장착되고 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 연장되는 유전체 튜브인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
The dielectric discharge tube further includes a swirl guide inserted and disposed at one end of the dielectric discharge tube to form a concentric structure,
Wherein the swirl guide is a dielectric tube mounted on the swirl generator and extending in a direction of a central axis of the dielectric discharge tube. 제1 항에 있어서,
보조 스월 발생부를 더 포함하고,
상기 스월 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 배치되고,
상기 보조 스월 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 타단에 배치되어 상기 스월 발생부가 생성한 스월 유동과 동일한 방향의 스월 유동을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
Further comprising an auxiliary swirl generator,
The swirl generator is disposed at one end of the dielectric discharge tube,
The auxiliary swirl generator is disposed at the other end of the dielectric discharge tube to provide a swirl flow in the same direction as the swirl flow generated by the swirl generator. 제1 항에 있어서,
상기 스월 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 배치되어 상기 유전체 방전 튜브를 밀봉하고 원통 좌표계에서 방위각 방향의 유체 속도 성분을 제공하여 상기 유전체 방전 튜브의 반경 방향으로 압력차를 제공하고,
상기 스월 발생부는 상기 유도 코일에 의하여 생성된 열(thermal) 플라즈마가 상기 유전체 방전 튜브의 측벽에 접촉하는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
The swirl generator is disposed at one end of the dielectric discharge tube to seal the dielectric discharge tube and provide a fluid velocity component in an azimuth direction in a cylindrical coordinate system to provide a pressure difference in the radial direction of the dielectric discharge tube,
The plasma apparatus, wherein the swirl generator suppresses contact of a thermal plasma generated by the induction coil to a sidewall of the dielectric discharge tube. 제1 항에 있어서,
상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 의 길이 방향으로 연장되고 유전체 재질이고, 원통 형상을 가지는 스월 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
And a swirl guide disposed between the inner nozzle and the outer nozzle, extending in a longitudinal direction of the dielectric discharge tube, made of a dielectric material, and having a cylindrical shape. 제 1 항에 있어서,
상기 외측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
The outer nozzle is formed in a helical shape while rotating in an azimuth direction on a circumference of a certain radius while proceeding in a longitudinal direction of the dielectric discharge tube. 제 1 항에 있어서,
상기 내측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
And the inner nozzle is formed in a helical shape while rotating in an azimuth direction on a circumference of a certain radius while traveling in a longitudinal direction of the dielectric discharge tube. 제1 항에 있어서,
상기 유도 코일의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자속을 감금하는 자성체로 형성된 자속 감금부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
And a magnetic flux confinement unit disposed around the induction coil and formed of a magnetic material to confine the magnetic flux generated by the induction coil. 제 10 항에 있어서,
상기 자속 감금부는 상기 유전체 방전 튜브의 중심축에 대하여 수직한 평면에서 대칭적으로 배치되는 복수의 자성체 블록을 포함하고,
상기 자성체 블록은 상기 유도 코일의 외측면, 상부면을, 및 하부면을 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 10,
The magnetic flux confinement portion includes a plurality of magnetic blocks symmetrically disposed in a plane perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube,
The magnetic block is a plasma apparatus, characterized in that disposed so as to surround the outer surface, the upper surface, and the lower surface of the induction coil. 제 11 항에 있어서,
상기 자속 감금부는:
상기 유도 코일을 감싸도록 배치된 자성체 블록;
상기 자성체 블록과 접촉하여 상기 자성체 블록의 열을 전달하도록 상기 자성체 블록를 감싸도록 배치된 비자성체로 형성된 열전도판;및
상기 열전도판에 고정되어 상기 열전도판을 냉각하는 냉각 파이프를 포함하고,
상기 열전도판은 상기 유도 코일에 의하여 발생하는 유도 전류의 흐름을 차단하는 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 11,
The magnetic flux confinement part:
A magnetic block disposed to surround the induction coil;
A heat conduction plate formed of a non-magnetic material disposed so as to surround the magnetic material block so as to transfer heat from the magnetic material block in contact with the magnetic material block; And
A cooling pipe fixed to the heat conduction plate to cool the heat conduction plate,
Wherein the heat conduction plate includes a slit that blocks the flow of an induced current generated by the induction coil. 제1 항에 있어서,
상기 스월 발생부는 상기 중심 노즐을 감싸도록 상기 유전체 방전 튜브의 중심에 배치되는 보조 유전체 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.The method of claim 1,
And the swirl generator further comprises an auxiliary dielectric tube disposed at the center of the dielectric discharge tube so as to surround the central nozzle. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete

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